Нанотранзисторы
АрхивДатой рождения транзистора, полупроводникового устройства переключения электрических сигналов, считается 1947 г. (Дж. Бардин, У. Браттейн и У. Шокли из Bell Laboratories в США получили за эту работу Нобелевскую премию по физике в 1958 г.).
Дошли до предела
Датой рождения транзистора, полупроводникового устройства переключения электрических сигналов, считается 1947 г. (Дж. Бардин, У. Браттейн и У. Шокли из Bell Laboratories в США получили за эту работу Нобелевскую премию по физике в 1958 г.). Изобретение транзистора стало событием большой социальной значимости. Именно благодаря бурному развитию транзисторных полупроводниковых технологий человечество в конце ХХ века вступило в эпоху информатики.
Сегодня в практическую плоскость перешли разговоры о нанотранзисторах, появились их первые действующие прототипы. Вэбопедия (www.webopedia.org) определяет нанотранзистор как транзистор, размеры которого исчисляются нанометрами. Название приставки нано (10–9) происходит от греческого nannoV — карликовый, маленький. По нанометровым меркам первые выходцы из Bell Laboratories были гигантами — их величина измерялась сантиметрами. За полвека транзистор уменьшился примерно в сто тысяч раз по линейному размеру и в 1010 раз — по массе. За радикальными количественными превращениями кроется принципиальное изменение качества, так как устройства переключения электрических сигналов достигают минимально возможных размеров, обусловленных атомной структурой вещества. Да и свойства самих электрических сигналов в наномире оказываются существенно иными, нежели в микромире, не говоря уж о макромире.
Электрический ток теперь нельзя представлять в виде некоего подобия «электрической жидкости» или «электронного газа», протекающих через управляемый вентиль, поскольку квантованность электрического заряда выходит в наномире на первый план. Количество электрического заряда, которым можно манипулировать, кратно заряду электрона Q0. Как бы точно ни производилось измерение электрического тока, количество информации, которое можно передать с его помощью, строго ограничено и определено числом переданных элементарных зарядов.
Обычный постоянный электрический ток всегда флуктуирует случайным образом, так как появление в цепи каждого нового элементарного заряда не скоррелировано с появлением предыдущего. Такие флуктуации часто называют дробовым шумом и описывают пуассоновской статистикой. Если в идеальном случае источник поддерживает в цепи постоянный средний ток n0 зарядов в секунду, то в среднем за время t по цепи будет проходить N = n0t зарядов, а измеряемое значение этой величины будет флуктуировать со среднеквадратичным отклонением ΔN ~ (n0t)1/2, или в относительной мере ΔN/N ~ (n0t)-1/2. Абсолютная мощность дробового шума растет с ростом мощности самого сигнала, однако относительная мощность — падает. Поэтому в макромире квантованием заряда обычно пренебрегают, поскольку для большого тока относительные флуктуации очень малы. Если же сигнал представлять числом электронов в зарядовом пакете, то количество классической информации, передаваемое током за время t, с учетом дробового шума, составит log2(1+N/ΔN) = log2[1+(n0t)1/2](Отсчеты, лежащие в пределах погрешности измерения, считаются неразличимыми).
Логические элементы, срабатывающие на определенную величину зарядового пакета, как, например, в случае КМОП-схем, будут слишком часто ошибаться, если пакет окажется недостаточно велик. Так, при кодировании логической единицы пакетом из десяти зарядов с порогом срабатывания в пять зарядов логический элемент будет неправильно срабатывать примерно в 3% случаев. Иначе говоря, согласно пуассоновской статистике, в трех случаях из ста мы обнаружим в зарядовом пакете менее пяти электронов. При этом существенно увеличить избыточный заряд, хранимый в структуре нанометрового размера, невозможно. Например, на сферическом кластере радиусом 2–3 нм можно разместить без проблем лишь несколько лишних электронов.
Кроме эффекта квантования электрического заряда, на малых расстояниях начинают сказываться волновые свойства частиц. Длина когерентности электронной волны в твердом теле при обычной температуре составляет величину порядка единиц нанометров. Поэтому на расстояниях, меньших 1 нм, начинают проявляться волновые свойства электронов. Выражается это в том, что когда вещество берется в малых количествах, его не всегда можно однозначно отнести к изоляторам, проводникам или полупроводникам. Например, некоторые химические элементы, взятые в количестве, допустим, 20, 50 и 100 атомов, будут последовательно проходить стадию изолятора, полупроводника и проводника соответственно.
Все сказанное иллюстрирует тот факт, что использование ресурсов вещества, пространства, времени, энергии и информации в наномире строго регламентируется особыми правилами, основывающимися на законах квантовой механики. Мало того что конструирование нанотранзисторов превращается в сложную квантовомеханическую задачу, овеществление квантовомеханических схем и «чертежей» требует разработки сложнейших технологических процессов.
Итак, нанотранзистор — это существенно квантовомеханический прибор. Однако он вовсе не обязан работать только с квантовой информацией. Доказано, что в базисе нанотранзисторов возможна реализация устройств обычной классической логики. Более того, разработка промышленных технологий создания нанометровых приборов классической логики — главная задача современной наноэлектроники. На ее решение брошены огромные финансовые ресурсы в крупнейших научных центрах мира.
Когда же будет достигнут предел миниатюризации обычной электроники? Уже сейчас микроэлектронной промышленностью в опытном порядке создаются транзисторы с размером рабочих элементов 20–30 нм. Они еще способны работать с обычными электрическими сигналами, однако при дальнейшем уменьшении размеров очень быстро нарастают проблемы, о которых говорилось выше. Область от 30 нм до 5 нм (так называемая область мезоструктур) следует считать переходной от классической твердотельной электроники к квантовой. Промышленность вплотную подошла к этой области и уже столкнулась с рядом трудностей, о которых журнал недавно рассказывал (см. «КТ» #561, «Как делают микросхемы»). В соответствии с законом Мура, полное освоение области мезоэлектроники ожидается примерно через десять лет. Таким образом, мезотранзисторы — это последний рубеж существования обычных транзисторов, за которым последует поколение нанотранзисторов.
Технологии нанотранзисторов
В Кембриджском университете и токийской Japan Science & Technology Corporation разработан одноэлектронный транзистор, функционирующий при комнатной температуре [1] (список литературы см. в конце статьи). Его устройство и схема включения показаны на рис. 2. Проводящий канал транзистора (остров) отделен от стока и истока туннельными барьерами из тонких слоев изолятора. Чтобы транзистор мог работать при комнатной температуре, размеры острова не должны превышать 10 нм. Высота потенциального барьера равна 0,173 эВ. В более ранней (2001 г.) конструкции тех же разработчиков остров был крупнее, высота потенциального барьера была 0,04 эВ, и рабочая температура не превышала 60 °К. Материалом для острова служит отдельный кластер аморфного кремния, поверхность которого оксидирована при низкой температуре для создания тонкого барьерного слоя
Одно из основных требований к технологии изготовления нанотранзисторов — высокая производительность их получения. Например, с помощью нанометровых роботов-манипуляторов, использующих технику туннельной сканирующей микроскопии, можно собирать нанотранзисторы буквально по одному атому, однако этот процесс очень медленный. Даже если укладывать атомы за одну операцию целыми кластерами, на сборку одного наночипа все равно потребуются десятки лет. Поэтому в настоящее время идут интенсивные поиски технологических процессов, которые бы позволили с помощью небольшого числа операций одновременно производить большое число нанотранзисторов.
Например, сотрудники IBM развивают кластерную технологию, работая с углеродными нанотрубками [2], открытыми сотрудником NEC. Такие трубки могут состоять лишь из нескольких атомных слоев и при этом быть в тысячу раз прочнее стали. В зависимости от размера и формы, углеродные нанотрубки могут обладать полупроводниковыми или металлическими свойствами. В настоящее время отработан метод получения углеродных кластеров путем создания электрического разряда между графитовыми электродами в специальных условиях. Таким путем создают не только нанотрубки, но и различные фуллерены — пустотелые шары и эллипсоиды нанометровых размеров (Фуллерены C60 открыли в 1985 г. H. W. Kroto из Университета Сассекса (University of Sussex) и James Heath, Sean O’Brien, R. E. Smalley и R. F. Curl из Университета Райса (Rice University). За это открытие Kroto, Curl и Smalley получили Нобелевскую премию в 1996 г).
Ученые IBM работают над технологией системной интеграции полупроводниковых и металлических углеродных трубок на одной подложке с целью создания в будущем полнофункциональных электронных наносхем. Технология еще далека от завершения, однако ряд технологических приемов уже опробован. На подложку — пластину из оксидированного полированного кремния — наносится композиция, состоящая из пучков слипшихся полупроводниковых и металлических нанотрубок углерода, которые трудно отделить друг от друга при массовом производстве. Поверх полученной пленки литографическим методами наносятся узкие полоски обычного металла. С помощью электрического сигнала можно переводить углеродные нанотрубки из полупроводникового состояния в состояние изолятора. Это дает возможность путем управляемого электрического пробоя разрушать нанотрубки металлического типа проводимости и получать большие регулярные массивы, состоящие из отрезков полупроводниковых углеродных нанотрубок. Каждый такой отрезок — основа будущего нанотранзистора.
В той же корпорации разработана методика «обточки» углеродных нанотруб путем электрически управляемого снятия с них лишних атомных слоев. Уже в 2001 году таким способом в IBM научились получать полевые транзисторы с требуемой шириной запрещенной зоны. Их назвали NT-FET (nanotube field-effect transistors). Все это позволяет надеяться, что закон Мура о росте числа логических вентилей на чипе будет действовать даже тогда, когда обычная кремниевая электроника дойдет до своего естественного предела, обусловленного атомной структурой кристалла.
Что касается углеродных кластеров, то здесь работы ведутся в нескольких направлениях — с однослойными нанотрубками SWNT (single-walled nanotube), многослойными нанотрубками MWNT (multi-walled nanotube) и различными фуллеренами (C60, C70 и др.) Кластеры такого типа являются средами с пониженной размерностью. Например, нанотрубка преимущественно одномерна, что роднит ее с одной из новых моделей квантовой механики, квантовой нитью. А вот фуллерены, своего рода пузыри нанометровых масштабов, — двумерны. В силу особых квантовых условий движения электронов в средах с пониженной размерностью они зачастую обладают уникальными свойствами. Например, металлические нанотрубки могут выдерживать очень большую плотность тока (в 100–1000 раз больше, чем обычные металлы). Полупроводниковые нанотрубки обладают способностью переключаться под действием внешнего электрического поля в состояние изолятора. При этом ширина запрещенной зоны обратно пропорциональна диаметру трубки: Eg~1/d. Фуллерены, допированные некоторыми металлами, являются к тому же высокотемпературными сверхпроводниками.
Длина углеродных нанотрубок может в тысячу и более раз превышать их диаметр. В принципе, это дает возможность использовать трубки как проводники для трехмерного монтажа наносхем.
В Lawrence Berkeley National Laboratory (США) в 1998 г. также сначала были созданы образцы нанотранзисторов на основе углеродных нанотрубок. В дальнейшем (2000 г.) были получены нанотранзисторы на основе фуллереновых кластеров C60. Нанотранзистор изготавливался следующим образом. Сначала с помощью электронно-лучевой литографической машины Nanowriter на кремниевой пластине создавалась решетка из узких золотых проводников шириной 200 нм и толщиной 10 нм. Пропуская по решетке электрический ток большой плотности, можно было вызывать электромиграцию атомов золота. В результате провода истончались до нанометровых размеров и разрывались в строго определенных местах, образуя зазоры шириной около 1 нм. Затем пластина покрывалась тонким слоем водного раствора фуллереновых кластеров. Далее растворитель испарялся, а кластеры C60 оказывались в зазоре между двумя электродами — истоком и стоком. Электрод затвора отделялся от остальных электродов изолирующим слоем двуокиси кремния.
С помощью нанотранзисторов на основе углеродных нанотрубок, структура которых показана на рис. 3, сотрудники Технического университета Дельфта (Delft University of Technology) уже в 2001 г. реализовали логический элемент ИЛИ-НЕ (physicsweb.org). Благодаря своим необычайно малым размерам нанотранзисторные схемы данного типа способны работать при комнатной температуре. Углеродные нанокластеры изготавливались отдельно, а затем размещались на подложке. Теперь исследователи разрабатывают технологию выращивания нанотрубок непосредственно на чипе.
Таким образом, в конце ХХ — начале XXI веков были опробованы базовые идеи квантовомеханических и молекулярно-кластерных технологий в новой области — наноэлектронике. В настоящее время в исследовательских центрах идет проработка технологических процессов производства наноэлектронной техники. Прикладные работы, в силу их стратегической важности для экономики промышленно развитых стран, скрыты от глаз обозревателей, но уже сейчас ясно, что экономическую, социальную и военно-политическую значимость информационных нанотехнологий невозможно переоценить.
Возможна ли детерминированная одноэлектроника?
Итак, схемотехнические принципы наноэлектроники будут существенно отличаться от принципов обычной микроэлектроники. Научная основа наноэлектроники сегодня закладывается в работах по квантовой информатике, новому интенсивно развивающемуся разделу теоретической и экспериментальной физики. Проблема флуктуирующих зарядовых пакетов — одна из первоочередных задач, кстати, общая для всех квантовых частиц, а не только для электронов.
В квантовом случае информация о состоянии физической системы представляется волновой функцией. Она имеет вероятностную трактовку, согласно которой квадрат модуля волновой функции дает плотность вероятности нахождения физической системы (в нашем случае — электрона или транзистора) в том или ином состоянии (Кстати, против такого толкования одного из главнейших понятий квантовой механики выступал Альберт Эйнштейн. Помните его знаменитую фразу «Господь Бог не играет в кости»? Дальнейшее развитие науки доказало правоту Макса Борна, стоявшего на позициях вероятностной трактовки. Вся эта история, однако, не помешала обоим спорщикам стать Нобелевскими лауреатами именно за фундаментальные работы по квантовой механике). Стало быть, для определенности следует повторять измерения состояния физической системы много раз, усредняя их результат. Такой набор статистики потребует дополнительных временных затрат — за информацию приходится платить быстродействием. Можно поступить иначе и, согласно принципам той же квантовой механики, изготовить много копий логического вентиля, правильным образом находя ответ по результату их одновременной работы. Но тогда теряется смысл создания нанотранзисторов, так как за информацию придется платить дополнительным пространством и материалом для размещения транзисторов-дублеров.
Нельзя ли заплатить чем-нибудь другим, создав условия, когда неопределенность квантовых переменных будет незначительна? Если, находясь на поле квантовой механики, мы собираемся работать лишь с классическими битами информации, то заплатить можно той частью квантовой информации, которая нам не потребуется. Например, мы согласны потерять информацию о фазе волны, разумно вызывая декогеренцию. Теряя фазу электронной волны на нужном этапе измерения состояния наноструктуры, мы приобретем возможность более точно отсчитывать заряды. Для этого мы должны отслеживать состояние каждого действующего электрона. Такой подход позволяет строить детерминированные автоматы наименьшего размера, которые будут обладать наибольшим быстродействием. Именно поэтому одноэлектроника, позволяющая работать с отдельными электронами, становится одним из важнейших направлений квантовой информатики, ориентированным на работу в рамках классической логики в нанометровом масштабе.
Как отмечалось, проблема флуктуирующих потоков квантовых частиц является общей для всей современной квантовой информатики. В частности, она достаточно глубоко изучена в оптике для случая фотонных пучков. Теоретически было показано, что возможно получать пучки фотонов, дробовой шум которых снижен по сравнению со случаем пуассоновской статистики. Это достигается за счет потери информации о поляризации. Эксперименты подтвердили предсказание теории. Уже получены непуассоновские пучки фотонов с повышенной упорядоченностью потока частиц.
У электронов имеется еще одно общее с фотонами свойство. Важная физическая характеристика света задается направлением колебаний вектора напряженности электрического поля. Это связано с тем, что фотоны имеют собственный механический угловой момент вращения, называемый спином. Аналогичным свойством обладают и электроны. О том, какое применение поляризованные электроны находят в современной электронике, см. статью «Спинтроника» на стр. 30.
Первые прототипы нанотранзисторов
Первые экспериментальные образцы одноэлектронных нанотранзисторов (Sandia National Labs, конец 1990-х) были довольно большими, так как для их производства применялась 20-нм литография, и функционировали только при температуре жидкого гелия (4,2 °К). При комнатной температуре смогли заработать лишь транзисторы с размером рабочей области 1–2 нм, недоступным современной литографии. Получить рабочие элементы транзисторов столь малых размеров удалось с помощью молекулярно-кластерной технологии («КТ» #364), которая, в принципе, позволяла размещать 2500 и более рабочих элементов на одном квадратном микроне. Оказалось, что для создания нанотранзисторов можно пользоваться гораздо большим разнообразием строительных материалов, чем в обычной полупроводниковой электронике. Связано это с уже упоминавшимся свойством веществ менять свою электронную структуру в зависимости от того, в каком количестве вещество берется. Малый кластер может быть изолятором, а большой — проводником. Если сюда добавить возможность комбинировать различные химические элементы, создавая строительные блоки в виде гетероатомных кластеров, то количество разнообразных блоков квантового наноконструктора оказывается невообразимо большим! В настоящее время проводятся исследования кластеров самой разнообразной химической природы, дабы выбрать наиболее удобные для построения наноэлектронных схем.
По квантовой лестнице — к кулоновской блокаде
Одним из самых ярких проявлений квантовых свойств наномира является квантование сопротивления проводников. Согласно теории, проводимость нанообъекта, находящегося в контакте с массивными электродами, к которым приложена разность потенциалов V, определяется количеством квантовых уровней энергии, укладывающихся в интервал ΔE=Q0V. Один энергетический уровень дает сопротивление контакта R=ћ/2Q02 = 12,9 кОм (универсальная постоянная [3]). На двух контактах получается что-то около 30 кОм. Наиболее эффектно явление квантования проводимости выглядит для одномерных квантовых структур — квантовых нитей (рис. 4).
Энергетические уровни в наноструктуре формируются под влиянием электрического взаимодействия электронов друг с другом по закону Кулона. Можно создать такие условия, когда первый электрон, занявший единственное свободное состояние, будет препятствовать проникновению в квантовый проводник других электронов. Это явление получило название кулоновская блокада. Механизм кулоновской блокады весьма перспективен для реализации одноэлектронного режима работы нанотранзисторов. Действительно, до тех пор, пока в проводящем канале находится один электрон, никакой другой электрон войти в канал не может! Таким способом можно отсчитывать число электронов, прошедших через транзистор, гораздо точнее, чем при использовании обычных электрических цепей.
В конце концов, точность отсчета числа электронов будет определяться быстродействием схемы — в силу принципа неопределенности Гейзенберга: ΔE · Δt ~ ћ, где Δt — неопределенность отсчета времени прохождения электрона через канал нанотранзистора, а ΔE — неопределенность энергии электрона. Для увеличения быстродействия прибора необходимо увеличивать «размазывание» электрона по энергиям, не выходя, однако, за границы, устанавливаемые режимом существования кулоновской блокады. При конструировании нанотранзисторов режим блокады устанавливается либо экспериментально, либо путем сложных квантовомеханических расчетов. Величина Δt — это фактически постоянная времени электрической RC-цепи. Расчеты дают примерно следующие типовые параметры для молекулярно-кластерного проводника: R~30 кОм, C~10–9нФ, Δt ~ 10–13 с. Теоретически это составляет быстродействие несколько тысяч гигагерц.
В 2004 г. в University of California (Irvine) на основе однослойной углеродной нанотрубки с золотыми электродами был создан нанотранзистор, работающий на частоте 2,6 ГГц. В том же году в Infineon Technologies на основе углеродных нанотрубок меньшего размера был создан рекордно малый нанотранзистор: диаметр трубки 0,7–1,1 нм при длине канала 50 нм. Электроды стока и истока были выполнены из палладия. Транзистор обладает также рекордно высоким отношением сопротивлений в закрытом и открытом режимах — около 106.
Металлоэлектроника и молекулярная электроника
В обычной микроэлектронике для создания транзисторного эффекта необходим полупроводник. Почему? Потому что полупроводник позволяет создать среду с легко управляемой концентрацией заряженных частиц, ответственных за проводимость. Диэлектрики ток вообще не пропускают. Они пригодны лишь для создания изоляции между токоведущими частями. В металлах же концентрация свободных заряженных частиц настолько высока, что внешнее электрическое поле, приложенное через изолирующий затвор, внутрь металла практически не проникает. Однако если тот же металл взять в количестве нескольких атомов, то электронные свойства такого образования, нанокластера, будут напоминать свойства полупроводника. Это позволяет сконструировать транзистор нанометровых размеров на основе атомов металла с использованием окисла в качестве изолятора (рис. 5).
И тут на первый план выходят проблемы надежности наноструктур и технологичности их изготовления. Оказалось, что время жизни слоя, толщина которого составляет всего лишь несколько атомов, чрезвычайно мало, в условиях нормальной эксплуатации. Это связано с тем, что плохо закрепленные атомы предпочитают перемещаться по наноструктуре или по подложке в поисках более крепкой связи, чему особенно способствует разогрев конструкции, а также электромиграция.
Впрочем, быстро выяснилось, что некоторые кластерные конфигурации обладают высокой устойчивостью, и все наружные атомы в них удерживаются очень прочно. Такие кластеры получили название магических, а числа входящих в них атомов — магических чисел. Например, для атомов щелочных металлов магические числа — 8, 20, 40, для атомов благородных металлов — 13, 55, 137, 255. Кстати, C60, C70 и другие фуллерены — тоже магические. Магическими же являются и углеродные нанотрубки. Это обстоятельство обусловило перспективность технологии предварительного создания магических наноструктур в специальных реакторах и последующего их использования при сборке нанотранзисторов.
Было обнаружено, что транзисторный эффект наблюдается также в молекулах (рис. 6), которые можно в массовом порядке синтезировать химическим путем.
Еще один неожиданный поворот — использование структур молекулярной биологии: молекул ДНК, белков и др. Причем не только в качестве рабочих элементов будущих транзисторов, но и для сборки элементов нанотранзисторных структур — на основе генетических технологий. Например, в американском Scripps Research Institute получена отдельная молекула ДНК в виде полой октаэдрической структуры (рис. 7) диаметром 22 нм. Внутренняя полость способна вместить сферу диаметром 14 нм. Одна из целей ученых — использование трехмерных ДНК-структур для создания сложных трехмерных логических цепей в устройствах молекулярного масштаба.
Уже разработаны способы манипуляции атомами и нанокластерами некоторых металлов, магнетиков и полупроводников с использованием молекул ДНК.
Например, в Northwestern University (США) в 2004 году разработан метод присоединения кластеров золота, а также кластеров ферромагнетика (окись железа) к молекулам ДНК, несущим кодовые последовательности из цепочек нуклеотидов. Это позволило с помощью ДНК-реакций получать кластерные цепи, в которых кластеры золота чередуются в нужной последовательности с кластерами ферромагнетика.
Не исключено, что союз наноэлектроники с молекулярной биологией в обозримом будущем сделает возможным появление самовоспроизводящихся металлоорганических нанокиборгов. Подробнее об этом — в статье «Нанокомпьютеры».
Ссылки:
[1] www.physicsweb.org/article/news/7/6/16.
[2] www.researchweb.watson.ibm.com/resources/news/20010425_Carbon_Nanotubes.shtml.
[3] Van Wees B.J., Van Houten H., Beenakker C.W.J. et al. Phys.Rev.Lett, 1988, v.60, p.848.
