Наноэлектроника

Наноэлектроника – область электроники, связанная с разработкой архитектур и технологий производства функциональных устройств электроники с топологическими размерами, не превышающими 100 нм (в том числе интегральных схем), и приборов на основе таких устройств, а также с изучением физических основ функционирования таких устройств и приборов.

Уже в начале нашего века появились серьезные преграды на пути развития электроники. Прежде всего это касается роста степени интеграции и быстродействия интегральных схем (ИС). Планарная технология приближается к фундаментальным пределам, определяемым самой природой. Ведущие производители ИС уверенно осваивают технологию 90 нм. Казалось бы, “еще немного, еще чуть-чуть”, и будет технология в 50 нм, но… в силу вступают квантовые законы и эффекты. Например, пробел между проводящими дорожками шириной 50 нм будет насквозь “простреливаться” в поперечном направлении электронами за счет туннельного эффекта.

Другие проблемы – отвод тепла, выделяемого элементами ИС, сверхплотно расположенными в микрообъеме кристалла, а также уровень собственных шумов, равный полезному сигналу или превышающий его.

В связи с этим, рассматриваются различные пути преодоления трудностей, связанных с нанометровыми масштабами. Один из возможных путей дальнейшего прогресса – разработка миниатюрных интегральных устройств, в которых роль электронов частично или полностью передана фотонам. Это должно привести к созданию вычислительной техники, превосходящей по быстродействию и информационной емкости современные

электронные устройства. Для реализации приборов с квантовой связью или устройств оптической обработки информации могут быть использованы квантовые плоскости на основе множества чередующихся сверхтонких (толщиной в один атом) полупроводниковых пленок. Замена электронов на фотоны породило новое направление в электронике – нанофотонику.

Союз магнитных полупроводников с фотоникой позволит создать запоминающие устройства на ядрах атомов. А благодаря интеграции традиционных составных частей компьютера на одном магнитно-полупроводниковом оптическом чипе мы получим сверхбыстрые и сверхэффективные нанокомпьютеры и другие устройства обработки, передачи и хранения данных. Свою лепту в повышение быстродействия внесет также отказ от необходимости изменять способ представления информации в памяти, процессоре, канале передачи данных.

Использование на чипе магнитооптоэлектронных структур позволит изготавливать очень быстрые переключатели и коммутаторы сигналов, способные работать на частотах в несколько терагерц. Следует также отметить, что магнитооптические полупроводники дадут возможность осуществлять прямое преобразование квантовой информации из электронного представления в оптическое и обратно минуя процесс детектирования.

Еще одна альтернатива – углеродная наноэлектроника, где ведущая роль принадлежит уже знакомым нам углеродным нанотрубкам. Одним из уникальнейших свойств нанотрубок является возможность управления их физико-химическими свойствами посредством изменения хиральности – скрученности решетки относительно продольной оси.

Всего лишь правильно изогнув нанотрубку в нужном месте, можно с легкостью получить проволоку нанометрового диаметра, как с металлическим, так и с полупроводниковым типом проводимости. При этом соединение двух таких нанотрубок образует диод, а трубка, лежащая на поверхности окисленной кремниевой пластины, – канал нанотранзистора. В настоящее время зарубежные компании массово производят 65-нанометровые чипы. Такие наноэлектронные устройства уже созданы и доказали свою работоспособность.

Исследователям из японского Национального Института материаловедения удалось перенести старую технологию механоэлектрических выключателей на квантовый уровень. Они создали миниатюрный механический выключатель, подобный тем, которые по сей день используется во многих бытовых приборах.

Принцип работы выключателя прост – при подаче напряжения на устройство между двумя нанопроводниками возникает или распадается мостик из серебра, который выполняет роль проводника (рис. 5). Длина мостика, по которому протекает ток, – всего 1 нанометр. На отрезке длиной 1 нанометр можно расположить 10 атомов водорода. Транзистор, изготовленный на основе этого ключа, будет вдесятеро меньше транзистора, используемого в современном процессоре Pentium IV. Поэтому наноэлектроника на основе новых квантовых переключателей может вытеснить современную уже через 10 лет. В отличие от обычных механоэлектрических переключателей у нано-аналога нет движущихся механических частей. Перемычка из серебра возникает между шинами просто от подачи на них напряжения.

Мостик, состоящий из атомов серебра, формируется, когда между шинами возникает небольшая положительная разность потенциалов. А когда это напряжение меняет знак, мостик разрушается. Устройство работает при комнатной температуре. Прототип, изготовленный учеными, переключается с частотой около 1 мегагерц (или миллион раз в секунду) при разнице потенциалов между шинами 0,6 В. Частота переключений устройства связана с толщиной шин. Если их еще уменьшить, то можно достичь частоты в 1 гигагерц. Этот частотный предел использует современная электроника.

Рис 5. Матрица квантовых наноключей.

Секрет формирования серебряного мостика состоит в составе нанопроводников шин. Один проводник состоит из сульфида серебра, покрытого тонким слоем чистого серебра. Второй – из платины, тоже покрытой чистым серебром. При возникновении между шинами положительной разности потенциалов атомы серебра “собираются” в мостик длиной 1 нанометр, а при изменении знака напряжения мостик разрушается и атомы возвращаются в прежнее состояние.

Преимущество нового ключа состоит в том, что благодаря конструкции устройства емкость памяти на его основе будет больше той, которая существует сейчас. Если же использовать каждый ключ в качестве элемента памяти, то емкость одного слоя составит 2.5 гигабит на квадратный сантиметр, в то время как самые “сверхплотные” чипы памяти характеризуются емкостью в 1 гигабит на квадратный сантиметр.

То, что новое устройство работает по законам квантовой физики, позволяет создавать на его основе многобитную память. Как известно, в квантовой физике различные энергетические состояния квантуются, принимая определенные дискретные состояния. Поэтому один ключ может представлять 16 состояний, или 4 бита.

Исследователи смогли сконструировать логические ячейки И, ИЛИ и ИЛИ-НЕ на основе нового ключа. Все логические устройства показали хорошие рабочие характеристики. Теперь ученые разрабатывают методы серийного производства матрицы квантовых ключей.

Наиболее революционные достижения наноэлектроники приближаются к квантовым пределам, установленным самой природой. Основу таких устройств составляет, например, работа одного электрона, имеющего два дискретных спиновых состояния. Но этой основе можно было бы построить квантовый компьютер, ведь для оперирования в двоичной системе исчисления достаточно реализовать элементы, способные иметь два устойчивых, стабильных во времени состояния, условно соответствующих логическим “0” и “1”, и допускать достаточно быстрые переключения между ними. Такие функции может выполнять электрон в двухуровневой системе (например, в двухатомной молекуле – переход с одного атома на другой). Другая возможность – переориентировать спин электрона из одного устойчивого состояния в другое с помощью, например, воздействия на него электромагнитного поля (этими исследованиями занимается научное направление – спинтроника).

Магнитным спином обладают не только электроны, но и некоторые другие элементарные частицы, а также ядра атомов. В наше время спинтроника изучает магнитные и магнитооптические взаимодействия в полупроводниковых структурах, динамику и когерентные свойства спинов в конденсированных средах, а также квантовые магнитные явления в структурах нанометрового размера.

В обычной твердотельной микроэлектронике информация представляется с помощью электрического заряда. Состояние магнитного момента при этом не задано — собственные моменты частиц ориентированы хаотично (рис. 6, а). Спинтроника же использует дополнительную возможность представления информации с помощью магнитного момента квантовых частиц (рис. 6, б). Одно из явлений спинтроники, названное гигантским магнитным сопротивлением (GMR), в конце 1990-х было использовано в магнитных головках жестких дисков. В результате емкость дисков за пять лет выросла более чем в сто раз.

Рис. 6. Возможные направления ориентация спинов

В будущем развитие спинтроники сулит производство компьютеров с быстродействием порядка 1 ТГц (1012 операций в секунду), плотность записи информации порядка 103 Тбит/см², что на много порядков выше, чем сегодня. При такой плотности записи на диске размером с наручные часы можно было бы разместить базу данных, включающую фотографии, отпечатки пальцев, медицинские карты и биографии абсолютно всех жителей Земли.

Третье перспективное направление развития нанотехники, отмеченное еще Эриком Дрекслером, – переход, как это ни кажется парадоксальным, от электронных устройств к механическим компьютерам.

Обычный механический компьютер с элементами макроскопического масштаба, разумеется, очень громоздок и работает чрезвычайно медленно. Однако с компонентами размером в несколько атомов такой механический компьютер оказался бы в миллиарды раз компактней современной микроэлектроники. И хотя механические сигналы передаются в 100 тыс. раз медленнее, им нужно было бы “преодолевать” путь в 1 млн. раз меньший, чем электронам в современных микросхемах. Поэтому простой механический нанокомпьютер был бы более быстродействующим.

Прототип такого устройства уже существует. Компанией IBM создана удивительная “многоножка”, которая стала первым квантовым коммерческим устройством хранения данных.

Устройство состоит из записывающей матрицы манипуляторов и среды хранения информации, включающей в себя 4096 “ножек” (рис. 7), выполненных как устройства чтения/записи (подобные “ножки” – кантилеверы используются сейчас в электронных и атомно-силовывх микроскопах).

Рис. 7. «Многоножка» под оптическим микроскопом.

“Многоножка” – не простой жесткий диск, где головки не прикасаются к магнитной поверхности, она представляет собой “чистую” цифровую технологию. Принцип ее работы можно сравнить с работой старых проигрывателей граммпластинок, в которых считывающая вибрирующая игла скользила по борозде, несущей информацию, только у “многоножки” есть ряд кантилеверов, которые скользят по поверхности хранения данных, на которой есть углубления, кодирующие „1” и „0” (рис. 8).

Рис. 8. “Многоножка” считывает информацию.

Таким образом, отклонения кантилеверов от равновесного положения переводятся в набор „0” и „1”.

Ведутся исследования и в области биоэлектроники. В отличие от обычных, биологические компьютеры могут выполнять одновременно не одну, а много программ. Израильские ученые создали компьютер, состоящий из одних только ДНК и энзимов, способный параллельно выполнять 1 млрд. программ без вмешательства оператора для обработки результатов. Применять такой компьютер планируют для одновременного биохимического анализа множества веществ и для шифрования больших изображений.