Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности - Линн Фостер

Еще оно важное ограничение связано с дискретностью электрического заряда. Очень небольшие по размеру структуры не могут рассматриваться в качестве некоторой непрерывной электропроводящей среды. При очень малой силе передаваемых зарядов возникают так называемые эффекты дискретности заряда, в результате чего даже отдельный электрон, проникающий по какому-то механизму (например, вследствие туннелирования) из одной области проводника в другую, может приводить к значительному колебанию (флуктуациям) напряжения. Физический механизм такой сверхчувствительности легко объясняется тем, что электрическая емкость С любой системы (определяемая, вообще говоря, через коэффициент пропорциональности между зарядом и напряжением посредством формулы ΔQ = C ΔV) связана с геометрией и меняется скачками при переходе к очень малым размерам. Поэтому при достаточно малых значениях С (~10–17 Ф и меньше) изменение напряжения заряда ΔV, связанное с перемещением одного-единственного электрона (ΔQ = 1,6 х 10–19 Кл), может оказаться больше, чем так называемое термонапряжение полупроводника, составляющее при комнатной температуре 25 мкВ.

Все описанные эффекты ухудшают характеристики широко распространенных полевых МОП-транзисторов (как обычных, так и неклассических) и наглядно демонстрируют, что возможности стандартных методов уменьшения размеров полупроводниковых устройств практически исчерпаны. На первый взгляд может показаться, что общее направление или, образно говоря, «путеводитель» развития полупроводниковой техники заканчиваются тупиком (связанным с фундаментальными законами природы). Однако к будущему стоит относиться с оптимизмом, если вспомнить, что за последние десятилетия физики неожиданно для себя «натыкались» или целенаправленно открыли множество совершенно неожиданных и интересных явлений и закономерностей на границе микромира, которые позволяют создавать устройства и структуры, работающие на новых принципах. Иными словами, развитие полупроводниковой техники привело ученых к пределам применимости старых технологий, но одновременно открыло перед ними принципиально иные возможности миниатюризации и совершенствования устройств, о чем рассказывается ниже.

15.2.1. Перспективные наноэлектронные технологии

Выше уже отмечалось, что по мере того как характерные размеры полупроводниковых устройств уменьшались до нескольких десятков нанометров или даже дальше, физические механизмы и законы, управляющие работой этих устройств, значительно усложнялись. Это не должно удивлять читателя, так как с уменьшением размеров физическая картина требует все более детального описания. Действительно, в макроскопических электротехнических приборах протекание тока напоминает обычный поток непрерывной среды, элементами которой выступают заряженные частицы. Аналогия является настолько полной, что движение такого потока описывается привычными уравнениями гидродинамики жидких сред. С физической точки зрения понятно, что гидродинамическая модель теряет смысл при очень малых масштабах рассматриваемых процессов, и в наносистемах мы должны переходить к рассмотрению дискретных сред вместо непрерывных, то есть описывать электроны в виде отдельных частиц и учитывать особенности их индивидуального поведения.

Переход к созданию и производству так называемых одноэлектронных устройств, естественно, должен приводить к нежелательному снижению их уровня надежности и стандартности характеристик из-за возможности случайных флуктуаций и сложности процессов контроля. С другой стороны, именно эти трудности как бы заранее определяют некоторые грядущие границы применимости наноэлектроники вообще, что будет рассмотрено ниже.

Другое принципиальное отличие наноустройств от их макроскопических аналогов связано с тем, что на малых расстояниях начинают действовать законы квантовой механики. Поведение частиц при этом характеризуется четко выраженным корпускулярно-волновым дуализмом (то есть одновременным проявлением свойств волн и частиц), причем важнейшим характерным размером для определения границ применимости классической теории к описанию движения электрона является так называемая длина волны де-Бройля. Если электрон вступает во взаимодействие с какой-либо структурой, имеющей близкие к этой длине размеры, то его поведение следует описывать скорее методами оптики (а не классической динамики!), то есть в описание должны входить и такие чисто оптические эффекты, как дифракция, интерференция, квантование движения, туннелирование через энергетический барьер и т. п. Естественно, что учет таких явлений принципиально изменяет привычное физическое описание процессов переноса, основанное на законах гидродинамики. Особое значение приобретает и тот факт, что при некоторых условиях волновые свойства электрона могут длительное время сохраняться и на больших расстояниях или в крупных структурах, что заставляет с особым вниманием относиться к когерентности электронных «волн».

С когерентностью волн, описывающих поведение электронов, связана еще одна новая и очень важная парадигма развития компьютерной техники. Дело в том, что на основе фазовых состояний электронных волн теоретически можно создать информационные и вычислительные системы, которые по своим возможностям будут значительно мощнее всех существующих компьютеров, действующих, как известно, на основе простой бинарной логики, связанной с двумя возможными состояниями. Будущие устройства, уже названные квантовыми компьютерами, представляют собой сейчас одно из наиболее перспективных направлений развития вычислительной техники. С другой стороны, из-за упомянутой чувствительности квантовых систем придется постоянно учитывать, что квантовые когерентные состояния являются очень «хрупкими» и могут легко разрушаться при взаимодействии электрона с окружением. В квантовых компьютерах будет возникать множество диссипативных процессов, в первую очередь – из-за колебаний молекул в органических и неорганических материалах самого устройства. Когерентность и другие квантовые эффекты резко ослабляются при нагреве любых атомно-молекулярных структур, вследствие чего для практического наблюдения и использования этих эффектов необходимо работать при низких температурах (для справки отметим, что при комнатной температуре длина когерентности в кристалле кремния составляет всего несколько десятых долей нанометра).

Вообще говоря, квантовые эффекты в полупроводниковой технике сейчас выступают в несколько необычной и даже забавной роли. С одной стороны, как отмечалось выше, они являются основным препятствием к дальнейшей миниатюризации и совершенствованию привычных полевых МОП-транзисторов на основе кремния. С другой стороны, при отказе от весьма распространенного и ценного полевого эффекта, эти же квантово-механические явления позволяют создать целый ряд совершенно новых устройств, работающих на иных принципах и имеющих гораздо меньшие размеры. К числу физических явлений, которые начинают проявляться в нанометрическом масштабе и вполне могут быть использованы для конструирования новых приборов, следует отнести, прежде всего, квантовую интерференцию, отрицательное электрическое сопротивление, одноэлектронные процессы и т. п. Особую ценность многим квантовомеханическими эффектам придает их связь именно с наномасштабами процессов и устройств, а не с конкретными материалами, то есть новые принципы могут быть реализованы в самых разных системах (металлы, полупроводники, нанопроволоки, углеродные нанотрубки, молекулярные соединения и т. п.). Некоторые из этих разнообразных возможностей более подробно рассматриваются ниже.

Еще раз повторим, что как только размеры используемых структур становятся меньше характерной длины фазовой когерентности, физическая картина изменяется и протекающие через вещество электроны начинают проявлять квантовые, волновые свойства, характеризующиеся интерференцией, туннелированием через энергетический барьер, квантованием энергии и импульса и т. п. Свойства таких систем еще требуют изучения, систематизации и классификации. Например, известный физик Рольф Ландауэр из фирмы IBM сумел в очень элегантной теоретической работе показать, что уравнения, описывающие характеристики одномерного проводника (типа нанопроволоки), почти совпадают с теми, которые используются для описания давно применяемых в физике электромагнитных волноводов. Напомним, что такие волноводы обладают несколькими «режимами» работы, проводимость которых ограничена значением фундаментальной константы 2e2/h.

Квантование проводимости вещества было впервые экспериментально доказано в работах конца 80-х годов, осуществленных в лабораториях университетов Кембриджа и Дельфт (Голландия) на специально изготовленных полевых транзисторах при очень низких температурах. Характерной особенностью этих транзисторов был так называемый «расщепленный» затвор, создающий одномерное устройство с полевым эффектом. Позднее выяснилось, что квантование проводимости в разной форме проявляется во многих явлениях переноса и в самых разных системах (общие флуктуации проводимости, шумы, квантовый эффект Холла и т. п.). На основе аналогии этих явлений с уже известными эффектами (в поведении пассивных микроволновых структур) было предложено много схем и устройств, использующих новые явления. Из них стоит отметить так называемые «направленные» элементы связи (ответвления) и вычислительные квантовые устройства на связанных волноводах. Интересные результаты были получены исследователями из Лундского университета (Швеция), изучавшими так называемые разветвленные структуры с баллистическим механизмом переноса электронов (баллистическая мода переноса наблюдается в полупроводниках при очень малой толщине проводящего материала и характеризуется отсутствием электрического сопротивления). В этих работах была доказана возможность создания устройств нового типа (нелинейных переключателей, простейших логических устройств), работающих на квантовых эффектах даже при комнатной температуре.