Казахский национальный университет им. аль-Фараби Физико-технический факультет

курс лекций

ВВЕДЕНИЕ В НАНОТЕХНОЛОГИЮ

Лекция № 5, 6: - Естественные границы развития существующей микроэлектроники.

- Квантовые ямы, проволоки и точки.

Лектор: Никулин Валерий Эдуардович Кафедра физики твёрдого тела и нелинейной физики

Естественные границы развития существующей микроэлектроники

•Электроника, как целостное направление, возникла около 1900 года и продолжала бурно развиваться в течение всего прошлого столетия. Исключительно важным событием в ее истории стало изобретение транзистора в 1947 году, позволившее быстро снизить размеры используемых элементов примерно до 75 мкм. В настоящее время техника миниатюризации развилась настолько, что позволяет легко изготовлять детали схем размером около 0,2 мкм.

•- 1904 вакуумный диод Д.А. Флеминг

•- 1947 полупроводниковый транзистор У. Браттейн,

Дж. Бардин, У. Шокли

•- 1958-1959 интегральные микросхемы на кремнии

•Тенденция к уменьшению размеров сохраняется, поэтому можно ожидать, что к 2007 г. линейные размеры интегральных схем снизятся

до 100 нм, а к 2011 году - даже до 50 нм.

Однако представляется очевидным, что существующие

технологические приемы уже не в состоянии обеспечить эффективное производство элементов электронных схем с точностью до 100 нм (не говоря уже о точности в 50 нм).

2

В драйвере жесткого диска (который называют иногда просто драйвером магнитного диска) устройства ПАНОКОН

была получена исключительно высокая плотность записи,

что стало сенсацией в компьютерной технике и позволило

проектировщикам начать практические работы по созданию

сверхмощных вычислительных устройств нового типа.

Плотность записи на один квадратный дюйм площади

магнитного диска уже составляет 15 гигабит (1 гигабит = 109 бит), поэтому можно ожидать, что к 2007 году она

достигнет 1 терабит (1012 бит).

Эти параметры снова выводят нас на некоторые физические пределы существующих технологий.

Действительно, при плотности в 1 терабит запись 1

бита информации соответствует промежуткам длиной около 20 нм, что невозможно реализовать ни в одной из существующих систем магнитной записи.

Дело в том, что при предельной плотности записи

1 бит информации может быть связан с состоянием отдельного магнитного домена, (на меньших промежутках запись станет неустойчивой из-за

термических флуктуации).

3

С другой стороны, на драйверах цифровых дисков многократного использования (DVD - digital videodisk) и оптических дисков (ODD - optical digital disk) плотность записи может достигать нескольких десятков гигабит и выше. Плотность записи при этом лимитируется длиной волны используемого света, так как при меньших длинах волн считывание становится невозможным (этот фактор в оптике называют дифракционным пределом разрешения).

Нанотехнология позволяет преодолеть эти сложности (за счет перехода к атомарному уровню обработки и регулирования состава материалов) и записать, например, 1

бит информации на длине порядка нескольких нм. Для этого необходимо перейти к производству новых материалов с повышенными функциональными характеристиками. Поэтому

можно считать, что перспективы развития электроники определяются именно возможностями нанотехнологий.

В качестве ремарки напомним, что в 2000 году на Международном конгрессе по полупроводниковым технологиям (IFST) для ограничений, носящих принципиальных характер, был даже введен термин «глухая кирпичная стена» (Red Brick

•Квантовые ямы, проволоки и точки

Свойства больших (объемных, макроскопических) образцов материалов в большинстве случаев описываются законами классической физики. Метрическая размерность таких объектов (систем) составляет 3D. При плавном уменьшении размеров образца от больших (макроскопических) значений, например, метра или сантиметра, до очень маленьких, свойства сначала остаются неизменными, затем начинают медленно меняться, а при размерах менее 100 нм могут измениться радикально.

•Квантовая яма (КЯ) – quantum wells (QW). Если размеры образца в одном измерении лежат в нанометровом диапазоне, а в двух других остаются большими, то получившаяся структура называется

квантовой ямой, а метрическая размерность такого объекта –

2D.

•Квантовая проволока (КП) – quantum wires (QWr). Если образец мал в двух измерениях и имеет большие размеры в третьем, то такой объект называют квантовой проволокой с метрической

размерностью 1D.

•Квантовая точка (КТ) – quantum dots (QD). Предельный случай этого процесса уменьшения размеров, при котором размеры во всех трех измерениях лежат в нижней части нанометрового диапазона,

называется квантовой точкой – 0D-мерный объект.

Эпитет «квантовый» в названиях этих трех типов наноструктур используют потому, что в области ультрамалых масштабов возникает

Последовательность прямоугольных наноструктур