Войти
Наноэлектроника относится к использованию нанотехнологий в электронных компонентах. Этот термин охватывает разнообразный набор устройств и материалов, с общей характеристикой, заключающейся в том, что они настолько малы, что необходимо тщательно изучать межатомные взаимодействия и квантово-механические свойства. Некоторые из этих кандидатов включают: гибридную молекулярную / полупроводниковую электронику, одномерные нанотрубки / нанопроволоки (например, кремниевые нанопроволоки или углеродные нанотрубки ) или передовая молекулярная электроника.
Наноэлектронные устройства имеют критические размеры в диапазоне размеров от 1 нм до 100 нм. Последние поколения технологий кремния MOSFET (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник, или МОП-транзистор) уже находятся в этом режиме, включая 22 нанометра КМОП (дополнительная МОП) узлы и последующие 14 нм, 10 нм и 7 нм FinFET (плавниковый полевой транзистор) поколения. Наноэлектроника иногда рассматривается как прорывная технология, потому что нынешние кандидаты значительно отличаются от традиционных транзисторов.
В 1965 году Гордон Мур заметил, что кремниевые транзисторы подвергались непрерывному процессу масштабирования в сторону уменьшения, наблюдение, которое позже было систематизировано как закон Мура. С момента его наблюдения минимальный размер элемента транзистора уменьшился с 10 микрометров до диапазона 10 нм по состоянию на 2019 год. Обратите внимание, что технологический узел напрямую не представляет минимальный размер элемента. Область наноэлектроники нацелена на дальнейшую реализацию этого закона за счет использования новых методов и материалов для создания электронных устройств с размерами элементов в наномасштабе.
объем объекта уменьшается в третьей степени его линейных размеров, но площадь поверхности уменьшается только во второй степени. Этот несколько тонкий и неизбежный принцип имеет огромные разветвления. Например, мощность сверла (или любой другой машины) пропорциональна объему, а трение подшипников сверла и шестерни пропорциональны их площади поверхности. Для сверла нормального размера мощности устройства достаточно, чтобы легко преодолеть любое трение. Однако уменьшение его длины, например, в 1000 раз, уменьшает его мощность на 1000 (в миллиард раз), а трение снижается только на 1000 (в миллион раз). Пропорционально у него в 1000 раз меньше мощности на единицу трения, чем у оригинального сверла. Если исходное отношение трения к мощности было, скажем, 1%, это означает, что меньшее сверло будет иметь трение в 10 раз больше, чем мощность; дрель бесполезна.
По этой причине, хотя сверхминиатюрные электронные интегральные схемы полностью функциональны, ту же технологию нельзя использовать для создания рабочих механических устройств за пределами шкалы, где силы трения начинают превышать доступную мощность.. Таким образом, даже несмотря на то, что вы можете видеть микрофотографии тонко протравленных кремниевых шестерен, такие устройства в настоящее время являются не более чем диковинками с ограниченным практическим применением, например, в движущихся зеркалах и ставнях. Поверхностное натяжение увеличивается почти таким же образом, что усиливает тенденцию к слипанию очень маленьких предметов. Это могло бы сделать любую «микрозаводку» непрактичной: даже если роботизированные руки и руки могут быть уменьшены в масштабе, все, что они поднимают, будет, как правило, невозможно подавить. Как было сказано выше, молекулярная эволюция привела к появлению рабочих ресничек, жгутиков, мышечных волокон и роторных двигателей в водной среде, и все это в наномасштабе. В этих машинах используются увеличенные силы трения на микро- или наномасштабах. В отличие от лопасти или пропеллера, которые зависят от нормальных сил трения (сил трения, перпендикулярных поверхности) для достижения толчка, реснички развивают движение за счет чрезмерного сопротивления или ламинарных сил (сил трения, параллельных поверхности), присутствующих в микро- и наноразмерных размерах. Чтобы построить значимые «машины» в наномасштабе, необходимо учитывать соответствующие силы. Мы сталкиваемся с разработкой и проектированием соответствующих машин, а не простых копий макроскопических.
Поэтому необходимо тщательно оценить все вопросы масштабирования при оценке практических применений нанотехнологий.
Например, электронные транзисторы, которые включают работу транзистора на основе одного электрона. Наноэлектромеханические системы также подпадают под эту категорию. Нанофабрикация может быть использована для создания сверхплотных параллельных массивов нанопроволок в качестве альтернативы индивидуальному синтезу нанопроволок. Особое место в этой области занимают кремниевые нанопроволоки, которые все больше изучаются в различных областях применения в наноэлектронике, преобразовании и хранении энергии. Такие SiNW могут быть изготовлены посредством термического окисления в больших количествах для получения нанопроволок с регулируемой толщиной.
Помимо небольших размеров и возможности размещения большего количества транзисторов в одном кристалле, однородная и симметричная структура нанопроволок и / или нанотрубок обеспечивает более высокую подвижность электронов (более быстрое движение электронов в материале), более высокую диэлектрическую постоянную (более высокую частоту) и симметричный электрон / характеристика отверстия.
Кроме того, наночастицы могут использоваться в качестве квантовых точек.
Одномолекулярные устройства - еще одна возможность. Эти схемы будут широко использовать молекулярную самосборку, проектируя компоненты устройства для создания более крупной структуры или даже полной системы самостоятельно. Это может быть очень полезно для реконфигурируемых вычислений и может даже полностью заменить существующую технологию FPGA.
Молекулярная электроника - это новая технология, которая все еще находится в зачаточном состоянии, но также дает надежду на создание электронных систем действительно атомного масштаба в будущем. Одно из наиболее многообещающих приложений молекулярной электроники было предложено исследователем IBM Ари Авирамом и химиком-теоретиком Марком Ратнером в их статьях 1974 и 1988 годов «Молекулы для памяти, логики и усиления» (см. Мономолекулярный выпрямитель. ).
Это один из многих возможных способов, которыми диод / транзистор на молекулярном уровне может быть синтезирован с помощью органической химии. Была предложена модельная система со спироуглеродной структурой, дающей молекулярный диод диаметром примерно половину нанометра которые могут быть связаны с помощью политиофена молекулярных проводов. Теоретические расчеты показали, что конструкция в принципе является надежной, и все еще есть надежда, что такую систему можно заставить работать.
Наноионика изучает перенос ионов, а не электронов в наноразмерных системах.
Нанофотоника изучает поведение света в наномасштабе и имеет цель разработать устройства, использующие это поведение.
В 1960 году египетский инженер Мохамед Аталла и корейский инженер Давон Канг в Bell Labs изготовили первый MOSFET (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник) с толщиной оксида затвора 100 нм, а также длиной затвора 20 мкм. В 1962 году Аталла и Канг изготовили нанослойную основу переход металл-полупроводник транзистор, в котором использовались тонкие пленки золота (Au) с толщина 10 нм. В 1987 году иранский инженер Биджан Давари возглавил исследовательскую группу IBM, которая продемонстрировала первый полевой МОП-транзистор с толщиной оксида затвора 10 нм с использованием вольфрама -гейт технологии.
Многопозиционные МОП-транзисторы включены масштабирование ниже 20 нм длина затвора, начиная с FinFET (эффект поля плавника транзистор), трехмерный непланарный МОП-транзистор с двумя затворами. FinFET создан на основе транзистора DELTA, разработанного Дай Хисамото, Тору Кага, Йошифуми Кавамото и Эйдзи Такеда в Центральной исследовательской лаборатории Hitachi в 1989 году. В 1997 году DARPA заключило контракт с Исследовательская группа в Калифорнийском университете в Беркли разработала транзистор DELTA глубиной менее микрона. Группа состояла из Хисамото, а также TSMC Ченмин Ху и других международных исследователей, включая Цу-Чжэ Кинг Лю, Джеффри Бокор, Хидеки Такеучи, К. Асано., Якуб Кедзерск, Сюэцзюэ Хуанг, Лиланд Чанг, Ник Линдерт, Шибли Ахмед и Сайрус Табери. Команда успешно изготовила устройства FinFET до процесса 17 нм в 1998 году, а затем 15 нм в 2001 году. В 2002 году группа, в которую входили Ю, Чанг, Ахмед, Ху, Лю, Бокор и Табери изготовили устройство FinFET 10 нм.
В 1999 г. в Лаборатории электроники и информационных технологий в Гренобле был разработан транзистор CMOS (комплементарный МОП). Франция проверила пределы принципов работы MOSFET-транзистора диаметром 18 нм (примерно 70 атомов, расположенных рядом). Это позволило теоретически интегрировать семь миллиардов переходов на монете в 1 евро. Однако КМОП-транзистор не был простым исследовательским экспериментом по изучению того, как работает КМОП-технология, а скорее демонстрацией того, как эта технология работает сейчас, когда мы сами все ближе приближаемся к работе в молекулярном масштабе. По словам Жана-Батиста Вальднера в 2007 году, было бы невозможно освоить скоординированную сборку большого количества этих транзисторов в цепи, а также было бы невозможно создать это на промышленном уровне.
В 2006 году, группа корейских исследователей из Корейского института науки и технологий (KAIST) и Национального центра Nano Fab Center разработала 3 нм MOSFET, самый маленький в мире наноэлектронный устройство. Он был основан на технологии FinFET с универсальным затвором (GAA).
Коммерческое производство наноэлектронных полупроводниковых устройств началось в 2010-х годах. В 2013 году SK Hynix начала коммерческое серийное производство процесса 16 нм, TSMC начала производство процесса 16 нм FinFET, а Samsung Electronics начала производство процесс класса 10 нм. TSMC начала производство процесса 7 нм в 2017 году, а Samsung начала производство процесса 5 нм в 2018 году. В 2017 году TSMC объявила о планах по коммерческому производству 3-нм техпроцесса к 2022 году. В 2019 году Samsung объявила о планах по 3-нм GAAFET (универсальный полевой транзистор) к 2021 году.
Современные высокотехнологичные производственные процессы основаны на традиционных стратегиях «сверху вниз», в которых нанотехнологии уже незаметно внедряются. Критическая шкала длины интегральных схем уже находится в наномасштабе (50 нм и ниже) относительно длины затвора транзисторов в CPU или DRAM устройств.
Результат моделирования для формирования канала инверсии (электронной плотности) и достижения порогового напряжения (IV) в полевом МОП-транзисторе с нанопроволокой. Обратите внимание, что пороговое напряжение для этого устройства составляет около 0,45 В. Nanoelectronics обещает сделать компьютерные процессоры более мощными, чем это возможно с помощью традиционных технологий производства полупроводников. В настоящее время исследуется ряд подходов, включая новые формы нанолитографии, а также использование наноматериалов, таких как нанопровода или малых молекул вместо традиционных компонентов CMOS. Полевые транзисторы были изготовлены с использованием как полупроводниковых углеродных нанотрубок, так и гетероструктурированных полупроводниковых нанопроволок (SiNWs).
В прошлом конструкции электронной памяти в основном основывались на транзисторах. Однако исследования электроники на основе переключающего переключателя предложили альтернативу, использующую реконфигурируемые межсоединения между вертикальными и горизонтальными связками для создания памяти сверхвысокой плотности. Двумя лидерами в этой области являются Nantero, которая разработала перекрестную память на основе углеродных нанотрубок под названием Nano-RAM и Hewlett-Packard, которая предложила использовать мемристор материал как будущая замена флэш-памяти.
Пример таких новых устройств основан на спинтронике. Зависимость сопротивления материала (из-за спина электронов) от внешнего поля называется магнитосопротивлением. Этот эффект может быть значительно усилен (GMR - Giant Magneto-Resistance) для наноразмерных объектов, например, когда два ферромагнитных слоя разделены немагнитным слоем толщиной в несколько нанометров (например, Co-Cu-Co). Эффект GMR привел к сильному увеличению плотности хранения данных на жестких дисках и сделал возможным гигабайтный диапазон. Так называемое туннельное магнитосопротивление (TMR) очень похоже на GMR и основано на спин-зависимом туннелировании электронов через соседние ферромагнитные слои. Эффекты GMR и TMR могут использоваться для создания энергонезависимой основной памяти для компьютеров, такой как так называемая магнитная память с произвольным доступом или MRAM.
. Коммерческое производство наноэлектронной памяти началось в 2010-х годах. В 2013 году SK Hynix начала массовое производство 16 нм флэш-памяти NAND, а Samsung Electronics начала производство 10 нм многоуровневая ячейка (MLC) флэш-память NAND. В 2017 году TSMC начала производство памяти SRAM с использованием процесса 7 нм.
современные технологии связи традиционные аналоговые электрические устройства все чаще заменяются оптическими или оптоэлектронными устройствами из-за их огромной полосы пропускания и емкости соответственно. Двумя многообещающими примерами являются фотонные кристаллы и квантовые точки. Фотонные кристаллы - это материалы с периодическим изменением показателя преломления с постоянной решетки, которая составляет половину длины волны используемого света. Они предлагают выбираемую ширину запрещенной зоны для распространения определенной длины волны, поэтому они напоминают полупроводник, но для света или фотонов вместо электронов. Квантовые точки - это объекты нанометрового размера, которые можно использовать, среди прочего, для создания лазеров. Преимущество лазера на квантовых точках перед традиционным полупроводниковым лазером состоит в том, что длина излучаемой ими волны зависит от диаметра точки. Лазеры на квантовых точках дешевле и предлагают более высокое качество луча, чем обычные лазерные диоды.
Производство дисплеев с низким потреблением энергии может быть выполнено с использованием углеродных нанотрубок (CNT) и / или кремниевых нанопроволок. Такие наноструктуры являются электропроводящими, и из-за их небольшого диаметра в несколько нанометров они могут использоваться в качестве полевых эмиттеров с чрезвычайно высокой эффективностью для автоэмиссионных дисплеев (FED). Принцип работы напоминает принцип работы электронно-лучевой трубки, но в гораздо меньшем масштабе.
Совершенно новые подходы к вычислениям используют законы квантового механика для новых квантовых компьютеров, которые позволяют использовать быстрые квантовые алгоритмы. Квантовый компьютер имеет квантово-битовое пространство памяти, называемое «Кубит», для одновременного выполнения нескольких вычислений. Эта установка может улучшить производительность старых систем.
Нанорадиостанции были разработаны на основе углеродных нанотрубок.
Исследования продолжаются использовать нанопроволоки и другие наноструктурированные материалы в надежде создать более дешевые и более эффективные солнечные элементы, чем это возможно с обычными планарными кремниевыми солнечными элементами. Считается, что изобретение более эффективной солнечной энергии окажет большое влияние на удовлетворение глобальных потребностей в энергии.
Также проводятся исследования по производству энергии для устройств, которые будут работать in vivo, так называемые био-наногенераторы. Био-наногенератор - это наноразмерное электрохимическое устройство, подобное топливному элементу или гальваническому элементу, но питающемуся от уровень глюкозы в крови в живом организме, во многом аналогично тому, как организм вырабатывает энергию из пищи. Для достижения эффекта используется фермент, который способен отщеплять глюкозу от ее электронов, освобождая их для использования в электрических устройствах. Тело среднего человека теоретически может вырабатывать 100 ватт электроэнергии (около 2000 калорий в день) с использованием био-наногенератора. Однако эта оценка верна только в том случае, если вся пища была преобразована в электричество, а человеческое тело постоянно нуждается в некоторой энергии, поэтому возможная выработка энергии, вероятно, намного ниже. Электроэнергия, генерируемая таким устройством, может приводить в действие устройства, встроенные в тело (например, кардиостимуляторы ) или питаемые сахаром нанороботы. Большая часть исследований, проводимых в области био-наногенераторов, все еще носит экспериментальный характер, и Лаборатория нанотехнологий Panasonic среди них находится на переднем крае.
Существует большой интерес к созданию наноэлектронных устройств, которые могут обнаруживать концентрации биомолекул в реальном времени для использования в качестве медицинской диагностики, таким образом попадая в категорию наномедицина. Параллельное направление исследований направлено на создание наноэлектронных устройств, которые могли бы взаимодействовать с отдельными клетками для использования в фундаментальных биологических исследованиях. Эти устройства называются наносенсорами. Такая миниатюризация наноэлектроники в направлении протеомного зондирования in vivo должна позволить новые подходы к мониторингу здоровья, надзору и защите.
 | Викискладе есть медиафайлы, связанные с Наноэлектроника. |
