Наноэлектроника – это область техники, занимающаяся разработкой, производством и применением электронных приборов, основные рабочие компоненты которых имеют размеры 1–100нм. Наноэлектроника как область физики – это наука об электронных процессах в средах, имеющих характерные размеры в нанометровом диапазоне.
Задачей технической наноэлектроники, например, является разработка электронных микросхем и приборов на их основе с субмикронными рабочими элементами.
Физическую наноэлектронику интересуют, в частности, квантоворазмерные явления в полупроводниковых гетероструктурах, таких как квантовые точки, сверхрешетки и др.

***

В настоящее время термином наноэлектроника принято обозначать область электроники, занимающуюся разработкой физических и технологических основ создания интегральных электронных схем с характерными топологическими размерами элементов менее 100 нм. Хотя величина 100 нм достаточно условна, но, тем не менее, для появления специального термина наноэлектроника, кроме чисто формального повода переименовать микроэлектронику при переходе от микрометровых топологических размеров к нанометровым в наноэлектронику, есть целый ряд принципиальных причин, возникших в результате развития физики твердого тела и технологии микроэлектроники в 80-е годы.
Эти причины следующие.
- Анализ развития технологии и производств традиционных интегральных схем на Si с полевыми и биполярными транзисторами в качестве основных активных элементов показывает, что минимальный топологический размер для этих схем составляет 100 нм (будет достигнут в начале следующего века).
- Для дальнейшего уменьшения размеров элементов интегральных схем (менее 100 нм) необходима разработка новой элементной базы. Уменьшение размеров полевых и биполярных приборов возможно на основе отличных от кремния материалов, например, GaAs, GaN.
- Огромные затраты на развитие технологии и разработку приборов себя полностью оправдывают, так как значительно уменьшают стоимость обработки и хранения единицы информации, увеличивают скорость обработки информационных потоков и уменьшают габариты и вес электронной и вычислительной аппаратуры. Это справедливо и для нанометровых размеров.
- Открытие новых физических явлений в нанометровых твердотельных структурах, таких как интерференция электронов, создание электронных волноводов, "ноль"-мерных квантовых точек и т.д., позволило определить новые активные элементы интегральных схем, работающих на совершенно новых принципах, и начать разработку таких приборов как квантовые и волновые транзисторы.
- Возможность с помощью современных технологий микроэлектроники работать с объектами, имеющими размеры менее 100 нм. На сегодняшний день, например, минимальные размеры объектов, полученных с помощью электронной литографии, составляют 10 нм.
- И, наконец, изобретение в 70-х годах сканирующего туннельного микроскопа (СТМ), позволяющего манипулировать с веществом на атомарном уровне и создавать объекты, составляемые из отдельных атомов. Т.е. сегодня технология перекрыла весь диапазон размеров вплоть до атомарного (примерно 0,1 нм), хотя создание объектов с большими размерами из отдельных атомов представляет достаточно сложную задачу, которую еще предстоит решить. Можно констатировать, что СТМ-технология подходит к проблеме создания нанометровых структур со стороны, противоположной традиционным микроэлектронным технологиям, и между ними существует вполне заметный пробел, который еще предстоит заполнить.

***

Волна, соответствующая свободному электрону в твердом теле, может беспрепятственно распространяться в любом направлении. Ситуация кардинально меняется, когда электрон попадает в твердотельную структуру, размер которой L, по крайней мере в одном направлении, ограничен и по своей величине сравним с длиной электронной волны. Классическим аналогом такой структуры является струна с жестко закрепленными концами. Колебания струны могут происходить только в режиме стоячих волн с длиной волны

λ_n=2L/n , n = 1, 2, 3,…                  (1)

Аналогичные закономерности поведения характерны и для свободного электрона, находящегося в твердотельной структуре ограниченного размера или области твердого тела, ограниченной непроницаемыми потенциальными барьерами. На рис. 1 такая ситуация проиллюстрирована на примере квантового шнура, у которого ограничены размеры сечения a и b. В этих направлениях возможно распространение только волн с длиной, кратной геометрическим размерам структуры. Разрешенные значения волнового вектора для одного направления задаются соотношением

k=2π/ λ_n=nπ/L      (n = 1, 2, 3,...),                  (2)

где L в соответствии с рис. 1 может принимать значения, равные a или b. Для соответствующих им электронов это означает, что они могут иметь только определенные фиксированные значения энергии, то есть имеет место дополнительное квантование энергетических уровней. Это явление получило название квантового ограничения. Вдоль же шнура могут двигаться электроны с любой энергией.

Запирание электрона с эффективной массой m^*, по крайней мере в одном из направлений, в соответствии с принципом неопределенности приводит к увеличению его импульса на величину h/L. Соответственно увеличивается и кинетическая энергия электрона на величину

ΔE = h2k2/2m* = (h2/2m*)(π2/L2).                   (3)

Таким образом, квантовое ограничение сопровождается как увеличением минимальной энергии запертого электрона, так и дополнительным квантованием энергетических уровней, соответствующих его возбужденному состоянию. Это приводит к тому, что электронные свойства наноразмерных структур отличаются от известных объемных свойств материала, из которого они сделаны. 

Интерференционные эффекты
Взаимодействие электронных волн в наноразмерных структурах как между собой, так и с неоднородностями в них может сопровождаться интерференцией, аналогичной той, которая наблюдается для световых волн. Отличительная особенность такой интерференции состоит в том, что благодаря наличию у электронов заряда имеется возможность управлять ими с помощью локального электростатического или электромагнитного поля и таким образом влиять на распространение электронных волн.

Наноэлектронные элементы информационных систем
В транзисторах на квантовых эффектах волновая природа электронов и соответствующие явления становятся основополагающими в их работе. Это достигается в полупроводниковых структурах с размерами, уменьшенными до 10 нм и ниже. Одними из первых появились элементы на резонансном туннелировании. Явление резонансного туннелирования было впервые описано в 1958 году японским исследователем Л. Исаки и детально исследовалось им до 1974 года. Однако всестороннее теоретическое обоснование и экспериментальные транзисторы на резонансном туннелировании появились лишь в начале 90-х годов. Транзисторы на резонансном туннелировании представляют собой двухбарьерный диод на квантовых ямах, у которого потенциал ям и соответствующие резонансные условия контролируются третьим электродом. Эти транзисторы имеют частоты переключения порядка 10¹² Гц, что в 100–1000 раз выше, чем у самых лучших кремниевых транзисторов из современных интегральных микросхем. Есть предложения по созданию на таких транзисторах ячеек статической памяти и других элементов для вычислительных систем.
В 1986 году советскими учеными К.К. Лихаревым и Д.В. Авериным, изучавшими одноэлектронное туннелирование, был предложен, а позже и опробован одноэлектронный транзистор на эффекте кулоновской блокады. В его конструкции, состоящей из двух последовательно включенных туннельных переходов (см. рис. 1), туннелирование индивидуальных электронов контролируется кулоновской блокадой, управляемой потенциалом, приложенным к активной области транзистора, расположенной в его середине между двумя прослойками тонкого диэлектрика. Количество электронов в этой области прибора должно быть не более 10, а желательно и меньше. Это может быть достигнуто в квантовых структурах с размером порядка 10 нм. В цифровых интегральных схемах на одноэлектронных транзисторах один бит информации, то есть два возможных состояния 0 и 1, может быть представлен как присутствие или отсутствие индивидуального электрона. Тогда однокристальная схема памяти емкостью 10¹² бит, что в 1000 раз больше, чем у современных сверхбольших интегральных схем, разместится на кристалле площадью всего 6,45 см². Над практической реализацией этих перспектив сегодня активно работают специалисты ведущих американских, японских и европейских электронных фирм.
Квантовый интерференционный транзистор, предложенный в 1986 году Ф. Солсом и др., использует эффект фазовой интерференции электронов в вакууме. Прибор состоит из полевого эмиттера, коллектора и сегментированных конденсаторов между ними. Конденсаторы контролируют траектории и фазовую интерференцию электронов в вакууме за счет электростатического потенциала на них. Рабочие частоты этого прибора оцениваются величинами 10¹¹–10¹² Гц.
В 1993 году японскими учеными (Ю. Вада и др.) было разработано новое семейство цифровых переключающих приборов на атомных и молекулярных шнурах. Базовая ячейка состоит из атомного шнура, переключающего атома и переключающего электрода. Общий размер такой структуры составляет менее 10 нм, а рабочие частоты оцениваются величинами порядка 10¹² Гц. Принцип работы атомного реле состоит в следующем. Переключающий атом смещается из атомного шнура электрическим полем, приложенным к переключающему электроду. Реле переходит в выключенное состояние. Теоретически показано, что зазор в атомном шнуре величиной 0,4 нм является достаточным, чтобы прервать продвижение по нему электронов. На предложенной основе разработаны логические элементы НЕ-И и НЕ-ИЛИ, ячейка динамической памяти. Предполагается, что они позволят создать суперкомпьютер c оперативной памятью 10⁹ байт на площади 200 мкм². Для создания атомных реле требуется уникальный сканирующий туннельный микроскоп, обеспечивающий прецизионную манипуляцию атомами. Работы в этом направлении идут успешно.

Разработанные в последние годы наноэлектронные элементы по своей миниатюрности, быстродействию и потребляемой мощности составляют серьезную конкуренцию традиционным полупроводниковым транзисторам и интегральным микросхемам на их основе как главным элементам информационных систем. Уже сегодня техника вплотную приблизилась к теоретической возможности запоминать и передавать 1 бит информации (0 и 1) с помощью одного электрона, локализация которого в пространстве может быть задана одним атомом. Ожидает практического разрешения и идея аналогичных однофотонных элементов. Широкое применение одноэлектронных и однофотонных элементов для создания информационных систем пока сдерживается недостаточной их изученностью, а главное, необходимостью обладать технологией – нанотехнологией, позволяющей конструировать требуемые структуры из отдельных атомов. Такие возможности существуют только в исследовательских лабораториях. Однако современные темпы развития электроники позволяют уверенно прогнозировать промышленное освоение нанотехнологии, а вместе с ней и наноэлектроники уже в начале XXI века.

 

Директор ИФП академик А. Асеев рассмотрел общую ситуацию с развитием нанотехнологий в мире и в России. Из ожидаемого в ближайшие 8–10 лет объема продаж изделий наноиндустрии в размере 1 трлн долларов США около 30 % придется на долю наноматериалов, не менее 25 % составит доля изделий наноэлектроники, 15 % – нанопродукты здравоохранения и фармацевтики, ориентировочно по 10 % составят объемы производства наноструктурных катализаторов, продуктов жизнеобеспечения (повышение урожайности сельхозкультур, очистка воды, возобновляемые источники энергии) и наноизделий для транспорта.
Развитие нанотехнологий и наноэлектроники приведет к расширению возможностей вычислительной техники и средств телекоммуникаций вместе с резким уменьшением габаритов устройств.
Отметим, что в настоящее время основным продуктом нанотехнологий в России являются нанопорошки. По принятой в англоязычной технической литературе терминологии они относятся к продуктам нанотехнологий предыдущего поколения (earlier generation nanotech).
Яркое выступление академика В. Власова было посвящено наноматериалам и наноустройствам на основе нуклеиновых кислот. В Институте химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН разработаны подходы к получению бионанообъектов, открывающие перспективу создания молекулярных сенсоров, молекулярных инструментов и, в конечном счете, молекулярных машин. Большое практическое приложение имеют магнитные наночастицы и микробиочиповые технологии.
Перспективы использования наноматериалов и нанотехнологий в посткремниевой электронике были рассмотрены в докладе академика Ф. Кузнецова. В качестве наиболее многообещающих направлений при развитии процессов обработки информации рассматриваются возможности использования одиночных органических молекул, молекул фуллеренов и халькогенидных кластеров.
Доклад чл.-корр. РАН Н. Ляхова был посвящен синтезу наноматериалов методами химии твердого тела. Среди наиболее интересных результатов – формирование инкапсулированных углеродом или нитридом бора наночастиц металлов, получение средств фармацевтики и косметики на основе слоистых композитов, уменьшение скорости коррозии металлов при использовании наночастиц, увеличение разрядной емкости литиевых батарей при наномодифицировании, использование слоистых нанокомпозитов для хранения водорода.