Глава 10 НАНОЭЛЕКТРОНИКА И ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Общие положения. Возможности наноэлектроники и функциональной электроники

Основные тенденции развития микроэлектроники с момента ее зарождения и до настоящего времени связаны с увеличением степени интеграции и быстродействия ИС. Однако такие тенденции имеют определенные пределы, обусловленные возможностями технологии, а также ограничениями, связанными с физическими и электрическими принципами преобразования информации и энергии, заложенными в работу современных ИС. Для преодоления этих затруднений в технологии начинают широко применяться рентгеновская и лазерная литографии, которые позволяют получить разрешение при создании элементов с размерами менее 10 нм (1 нм = 10 ⁹ м = 10^_3 мкм). В США прогнозируется, что в ближайшие десять лет будут созданы МДМ-транзисторы с шириной затвора в 20 нм. Разработанные технологии разрешают разместить на кристалле 10⁹ элементов. Уменьшение элементов до размеров порядка нескольких десятков, пусть даже сотен, периодов кристаллической решетки кристалла ИС существенно изменяет физические процессы (основы) работы приборов в ИС. При таких характерных размерах начинают проявляться и преобладать волновые свойства электронов, перемещающихся через структурированные барьеры, существующие в кристаллической решетке. Размеры этих барьеров оказываются одного порядка с длиной волны де Бройля для электрона Х_Д = Н/ти, где Л — постоянная Планка, т — масса электрона, и — скорость его движения.

Из-за проявления волновых свойств в наноразмерных элементах основными физическими процессами, которыми обусловлен перенос носителей, являются интерференция и дифракция электронных волн, квантовые энергетические ограничения при движении носителей заряда, связанные с малыми размерами объекта, и туннелирование электронов через пространственно узкие потенциальные барьеры. Все перечисленные эффекты и составляют базу наноэлектроники, представляющей очередной этап и направление развития микроэлектроники.

Функциональная электроника, функциональная микроэлектроника, молекулярная электроника — различные названия еще одного перспективного направления микроэлектроники, которое связано с получением непрерывных комбинированных сред с заданными свойствами для создания различных электронных приборов на основе использования физических принципов и явлений, позволяющих получить компоненты со сложным функциональным схемотехническим назначением.

В отличие от ИС, где используется технологическая интеграция, в функциональной электронике не существует простых элементов типа диодов, транзисторов, резисторов и т. д.

Интегральные схемы в ближайшие годы достигнут своих предельных (критических) параметров, обусловленных физическими ограничениями и возможностями технологии. Появятся ИС с топологическими нормами порядка 0,1 мкм; скорость внешнего обмена информацией ограничится 3 ГГц из-за проблемы межсоединений, хотя частотный диапазон транзисторов будет существенно выше; плотность упаковки будет на уровне 10¹⁰эл/см² (элементов/см²), а для микропроцессоров — 2* 10®эл/см². Такие параметры ИС уже сейчас недостаточны для многих систем оперативного распознавания образов, искусственного интеллекта, для разработки устройств параллельной обработки информации и т. д. Разработчики ИС активно ищут способы преодоления технологических и физических барьеров. Одно из направлений базируется на разработке трехмерных ИС. На этом пути необходимо преодолеть следующие трудности: решить проблему взаимных помех элементов, разработать методы проектирования схем со сложной трехмерной топологией, обеспечить низкую цену, сравнимую с планарными ИС. Однако и в трехмерной электронике проблема межсоединений тоже не может быть решена полностью, а порой даже усложняется.

Любая микросхема — это совокупность очень большого числа искусственно созданных за счет технологических процессов локализованных статических неоднородностей в кристалле полупроводника (области эмиттера, коллектора, базы транзистора, резистор, изолирующие области и т. д.), которые соединяют между собой в соответствии со схемотехническими решениями, позволяющими обрабатывать, хранить и генерировать информацию. В семидесятых годах прошлого столетия возникла идея использовать в микроэлектронике динамические неоднородности и физические принципы интеграции не только числа элементов, но числа функций, выполняемых электронным прибором, что и является задачей функциональной электроники.

К динамическим неоднородностям относятся ансамбли заряженных частиц, домены (электрические и магнитные), волновые неоднородности (поверхностные акустические волны, магнитные статические волны) и ряд других.

В зависимости от типа используемой среды, той или иной комбинации физических полей или явлений различают такие направления в функциональной электронике, как функциональная акустоэлектроника, функциональная магнитоэлектроника, функциональная оптоэлектроника, функциональная диэлектрическая электроника, молекулярная электроника (молетроника) и т. д.

В кремниевых, арсенид-галлиевых ИС и других устройствах, построенных на основе схемотехнических принципов, информационные сигналы передаются частями по линиям межсоединений, что ухудшает помехоустойчивость и надежность изделий. В устройствах функциональной электроники полезные сигналы обрабатываются не по частям (не по байтам), а одномоментно, одновременно по всей структуре. При этом существует возможность создания устройств, в которых можно обрабатывать одновременно как аналоговые, так и цифровые сигналы, что позволяет достигнуть скорости передачи и обработки информации более 10¹⁵ операций в секунду.

Межсоединения в современных ИС занимают до 60% площади кристалла, что приводит к наличию больших значений паразитных параметров (емкостей, волновых сопротивлений, дефектов и т. д.), которые, естественно, ухудшают характеристики ИС, особенно частотные. В функциональной электронике межсоединения играют незначительную, вспомогательную роль.

Для всех устройств функциональной электроники можно выделить ряд характерных элементов и явлений, к которым можно отнести:

• 1) динамические неоднородности определенного типа (поверхностные акустические волны (ПАВ), зарядовые пакеты в приборах с зарядовой связью (ПЗС), магнитостатические волны (МСВ));
• 2) континуальные среды, в качестве которых наиболее часто выступают кристаллические твердые тела, но перспективны также различного рода полимеры и биологические среды;
• 3) генераторы динамических неоднородностей, обеспечивающие их ввод в информационный канал;
• 4) устройства управления динамическими неоднородностями;
• 5) детекторы вывода и считывания информации, преобразующие заложенную в динамических неоднородностях информацию в двоичный код, что позволяет использовать хорошо развитые методы ее цифровой обработки.