Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности - Линн Фостер

Выше уже отмечалось, что квантовые эффекты не позволяют просто уменьшать размеры уже существующих полевых МОП-транзисторов. По этой же причине завершаются неудачей многие попытки создать квантовые когерентные устройства, исходя из их аналогии с волноводами. Исследователям никак не удается обеспечить точную работу таких волноводов из-за квантовых флуктуаций, связанных как с наличием случайных атомов примесей в материале, так и из-за сложности регулирования процессов и размеров в наномасштабе вообще. Со временем эти недостатки будут преодолены, однако следует помнить, что фундаментальными ограничениями для наноустройств этого типа останутся характерная длина когерентности и время существования квантовых состояний с фазовой когерентностью. Это заставляет еще раз задуматься о новых материалах для электронной промышленности, поскольку эти характерные величины имеют очень малые значения для кремния при комнатной температуре.

В последние годы ученые все чаще пытаются использовать для создания наноустройств еще одну чисто квантовую характеристику электронов или любых других заряженных частиц. Речь идет о «спине», под которым физики подразумевают внутренний (иногда его называют собственным) магнитный момент, присущий всем элементарным частицам, обладающим электрическим зарядом. Наличие спина обнаруживается при взаимодействии частиц с полем и проявляется в том, что спин в электромагнитных полях может иметь лишь два направления или ориентации, которые условно можно назвать спин-вверх и спин-вниз. Этому квантово-механическому свойству вещества за весь XX век не удалось подобрать удачного классического аналога или объяснения, а его название (оно происходит от английского слова spin, означающего вращение) связано с тем, что магнитный момент заряженной частицы обычно объясняют ее вращением вокруг собственной оси.

Существование двух спиновых состояний у элементов любой системы позволяет использовать множество материалов для создания запоминающих устройств, в качестве примера можно упомянуть выпуск магнитных запоминающих устройств на основе ферромагнетиков (объем производства в этой области давно превышает десятки миллиардов долларов!). В реальной жизни все такие запоминающие устройства устроены очень просто и работают на основе записи или считывания информации в двоичной системе, когда одна ориентация спина соответствует цифре 1, а другая – цифре 0. При переходе к нанотехнологиям исследователи могут не только продолжить традицию записи информации в двоичном коде, но даже воспользоваться совершенно новым, квантовым принципом записи информации. Прототипом вычислительных элементов, построенных на принципах квантовой механики, могут стать так называемые «кубиты», под которыми подразумеваются гипотетические устройства или системы, способные достаточно долго сохранять квантовые состояния с фазовой когерентностью. Выше уже упоминалось, что время существования квантовых состояний электрона с фазовой когерентностью очень мало. Речь шла о когерентности волн де-Бройля, между тем когерентность спиновых состояний электронов в полупроводниках уже сейчас варьируется в пределах от наносекунд до миллисекунд, что позволяет исследователям серьезно относиться к проектированию квантовых вычислительных и запоминающих устройств.

Далее, при уменьшении размеров обычных транзисторов исследователи сталкиваются с проблемой обеспечения исключительно высокой чистоты используемых материалов, так как даже один случайный атом примеси может менять характеристики сверхмалых полупроводниковых устройств. Однако, преодолев это препятствие и научившись реально манипулировать отдельными электронами в наномасштабных системах, ученые получили возможность создать целый набор совершенно новых типов устройств или даже приборов. Для пояснения принципов и особенностей работы таких одноэлектронных систем можно рассмотреть задачу о емкости одноэлектронного транзистора с очень небольшим туннельным переходом (речь идет о емкости системы из двух очень малых проводников, разделенных сверхтонким слоем изолятора).

Как уже говорилось выше, электрическая емкость такой системы теоретически представляет собой коэффициент пропорциональности между разностью потенциалов этих проводников и разностью их зарядов (отрицательного и положительного). В простейшей, школьной модели проблема емкости рассматривается на примере двух параллельных обкладок конденсатора, разделенных слоем изолятора. В применении к рассматриваемой структуре, туннелирование одного-единственного электрона между слоями проводников должно приводить к изменению электростатической энергии системы на величину e2/C. Поэтому изменение емкости (которая, напомним, по своей физической природе связана с геометрией) в очень малых системах может оказаться больше, чем характерное значение тепловой энергии (равное 3kT/2), вследствие чего может возникнуть эффект так называемой «кулоновской блокады», уменьшающей проводимость системы для преодоления требуемого электростатического барьера. Этот эффект позволяет экспериментаторам реально регулировать «поштучное» движение электронов вдоль канала проводимости (в данном случае перехода в транзисторе), контролируя тем самым напряжение.

Этот эффект наглядно иллюстрируется данными рис. 15.4, описывающими механизм действия так называемого одноэлектронного транзистора, состоящего из двух туннельных переходов, соединенных проводящим «островком» или «квантовой точкой» с вторичным источником напряжения Vg, присоединенным к системе через дополнительную емкость затвора Cg . Как показано на рисунке, «включение» кулоновской блокады при повышении напряжения на затворе происходит лишь при целочисленных значениях количества электронов, туннелирующих через структуру, что и позволяет осуществлять «поштучное» управление движением электронов. К настоящему времени удалось экспериментально доказать возможность создания множества одноэлектронных вычислительных устройств (транзисторы, устройства накачки, или «насосы», простейшие логические схемы, запоминающие устройства и т. п.), работающих на этом принципе. Более того, некоторые из этих устройств уже сейчас способны функционировать даже при комнатной температуре, что представляется исключительно важным для практического применения, поскольку позволяет отказаться от очень сложной, дорогой и капризной системы криогенного охлаждения. Организация производства одноэлектронных устройств (как и описанных выше структур с квантовой интерференцией) связана с множеством технологических сложностей, вызываемых как случайными флуктуациями, так и очень высокими требованиями к литографической методике. Напомним, что для успешной работы устройств такого типа необходимо, прежде всего, чтобы энергия одноэлектронной «зарядки» структуры превышала тепловую энергию (25 мкэВ при 300 К).

Рис. 15.4. Схема устройства одноэлектронного транзистора (single-electron transistor, SET), состоящего из двух туннельных переходов, соединенных проводящим «островком», на который через емкость затвора подается смещающее напряжение V. Как показано на рисунке слева, в обычном (нерезонансном) состоянии такой системы туннелирование электронов невозможно из-за широкой запрещенной зоны. Подача через затвор на проводящий «островок» требуемого смещающего напряжения создает в системе резонанс (правая часть рисунка), при котором электроны по одному туннелируют через барьер, в результате чего возникают характерные пики проводимости

Другим направлением быстрого и перспективного развития функциональных электронных наноустройств стала самосборка (самоорганизация) разнообразных структур из полупроводниковых нанопроволок (ПНП) и углеродных нанотрубок. Особое внимание в последнее десятилетие вызывали именно ПНП, поскольку выяснилось, что они обладают очень интересными особенностями проводимости (вольт-амперными характеристиками), позволяющими использовать их в качестве резонансных туннельных диодов, одноэлектронных транзисторов и структур с полевым эффектом. В самое последнее время интерес к изучению ПНП дополнительно усилился после того, как была доказана возможность направленной самосборки ПНП в процессе эпитаксиального выращивания.

На рис. 15.5 приведена полученная на сканирующем электронном микроскопе микрофотография характерной структуры такого типа, изготовленной методом сложного эпитаксиального выращивания, в котором принимают участие компоненты, находящиеся в газовом, жидком и твердом состоянии. Изготовляемые этим методом нанопроволочные структуры могут относиться как к классу простых, одноэлементных полупроводников (Si, Ge), так и к интерметаллическим полупроводникам (типа III–V). Этот факт является исключительно важным с точки зрения коммерциализации и производства, поскольку он сразу позволяет использовать при их изготовлении стандартные, давно разработанные и высокоэффективные технологические приемы существующей полупроводниковой промышленности (контролируемое легирование в процессе роста, изменение состава, позволяющее создавать так называемые резкие D-гетеропереходы, и т. п.). Используя методы самоорганизации ПНП, некоторые группы исследователей (в частности, в Гарвардском и Лундском университетах) смогли синтезировать и продемонстрировать возможности целого ряда интересных в коммерческом плане структур, таких как нанопроволочные полевые транзисторы, биполярные устройства, инверторы на дополняющих структурах и т. п. На основе ПНП со специально изготовленными гетероструктурами уже созданы резонансные туннельные диоды, одноэлектронные транзисторы и другие наноэлектронные устройства. Кроме того, исследователи все чаще задумываются о возможностях использования организованных массивов или решеток из ПНП, что, естественно, ставит перед ними новые технологические задачи, связанные с обеспечением требуемого распределения ПНП и их направленности.