6.2.3. Спиновой полевой транзистор
Спинотроника – направление наноэлектроники, в котором для представления и обработки информации наряду с зарядом используется спин электрона.
Туннельное магнитосопротивление (ТМС) – это эффект спин - зависимого туннелирования электронов через нанометровый слой диэлектрика или полупроводника, помещенный между двумя ферромагнетиками /2/.
Схема спинового полевого транзистора представлена на рис. 6.7.
Как и в традиционном транзисторе, узкий канал 2 помещен между истоком 1 и стоком 3. Над каналом расположен третий электрод - затвор. Здесь исток и сток - ферромагнетики, намагниченные в одном направлении (горизонтальные стрелки на рисунке), канал - полупроводник с квантовой ямой с 2D - электронным газом. Квантовая яма – двухмерный (2D) – объект, это тонкий слой кристалла, толщина которого соизмерима с длиной волны де Бройля /2/. Примерами квантовых ям с 2D - электронным газом могут служить проводящие каналы в МДП – структурах на кремнии и узкозонные слои в гетероструктурах на основе AIIIBV.
Рис. 6.7. Схематическое представление спинового полевого транзистора
Ток, входящий в канал из источника, спин - поляризован. Если напряжения на затворе нет, ток свободно проходит в сток (состояние низкого сопротивления). Если на затвор подано напряжение, спин электронов тока прецессирует (наклонные стрелки в канале). Подбирая напряжение на затворе, можно регулировать величину изменения ориентации спина электронов при прохождении канала. Если в конце канала спины электронов имеют ориентацию, показанную на рис. 6.7, то электроны отбрасываются от границы стока. В этом состоянии транзистор имеет высокое сопротивление. Таким образом, сопротивление спинового полевого транзистора может контролируемо управляться электрическим полем затвора.
6.2.4. Элементы молекулярной электроники
В молекулярной электронике выделяют два основных направления: микромолекулярная электроника (молекулярная электроника, сокращенно молетроника) и макромолекулярная электроника (органическая электроника).
Макромолекулярная электроника – электроника, в которой в качестве элементов схем используются тонкие (20-200 нм) пленки органических материалов (в основном полимеров).
Молетроника – это электроника, в которой в качестве ИМС используются отдельные органические молекулы или их фрагменты /2/.
Молекулы – диоды. На рис. 6.8, а показана модельная молекула, состоящая из двух фрагментов: 1 - тетрацианохинодиметан (акцептор) и 2 - тетратиофульвален (донор), соединенных системой метиленовых мостиков (3).
Акцептор (1) имеет низколежающую свободную орбиталь π1, донор (2) имеет свободную орбиталь с более высокой энергией π2. Донор и акцептор разделены изолирующей подгруппой (3). Молекула помещена между двумя металлическими электродами с уровнями Ферми EF1 и EF2. В металлах (при низких температурах) заполнены практически все состояния до EF1 и EF2. Рис. 6.8, б соответствует отсутствию напряжения между электродами.
Если на электрод 1 подать «минус», а на электроде «плюс», то уровень EF1 поднимется, и электроны будут переходить из металла 1 на свободный уровень π1. Уровень EF2 понизится, на него будут уходить электроны с занятого уровня π'2. На освободившийся уровень туннелируют электроны, перешедшие на π1. Ток течет от электрода 1 к электроду 2, электроны при движении понижают энергию на каждой ступени.
Если изменить полярность электродов, то на свободный уровень π2 электроны из металла 2 пойдут при гораздо большем напряжении, так как уровень π2 расположен высоко. Таким образом, имеет место односторонняя проводимость.
Молекулы – транзисторы. Принципиальная схема молекулярного транзистора приведена на рис. 6.9.
Молекулярный транзистор - аналог полевого транзистора. Током в канале между истоком и стоком управляет электрическое поле затвора. Затвором служит подложка сильнолегированного Si. Подложка покрыта слоем SiO2 толщиной 30 нм. На диоксид наносилась полоска золота шириной ~200 нм и толщиной ~10-15 нм. Полоска, выполнявшая роль проводящей проволочки, очищалась и помещалась в раствор металлоорганических молекул, содержащих ион Co2+, в ацетонитриле. Затем методом электромиграции на проволочке (полоске) создавался разрыв шириной ~1-2 нм. Образовавшиеся кусочки золота (1 и 2, см. рис. 6.9) служили истоком и стоком. В момент разрыва одна из молекул втягивается полем золотых электродов в разрыв и прикрепляется концами - атомами серы - к электродам.
Рис. 6.8. Схема молекулы, обладающей свойством диода (а);
упрощенная энергетическая схема этой молекулы (б)
Полученный молекулярный транзистор - одноэлектронный. Островом служит ион кобальта, между ионом и электродами имеются туннельные барьеры. Если величина напряжения на затворе меньше некоторого критического значения (|UЗК| = 1,0 В), то на вольт-амперных характеристиках наблюдаются области кулоновской блокады (см. рис. 6.6, а). При |U3|≥|UЗК| блокада прорывается и ток через транзистор течет даже при очень малых смещениях (напряжениях между истоком и стоком). После прорыва блокады величина тока через молекулы составляет несколько десятых нА при напряжении смещения около 0,1 В, сопротивление транзистора лежит в пределах 0,1-1 ГОм.
Рис. 6.9. Схема молекулярного транзистора
Таким образом, посредством изменения напряжения на затворе транзистор можно переключать из непроводящего состояния в проводящее.
Молекулярные ИМС. Имея молекулы - проводники, изоляторы, диоды, транзисторы, логические элементы и переключатели, можно разрабатывать молекулярные ИМС. Размер молекулярного транзистора равен ~1 нм. Если создать ИМС из 109 таких транзисторов, то она будет размером с песчинку. При этом ее производительность возрастет в 102-103 раз, а энергопотребление уменьшится до весьма малых величин.
На 1 см2 поверхности возможно размещение ~1013 молекулярных логических элементов. Это в 104 раза больше плотности сборки в современных чипах. Теоретически время отклика молекулярного транзистора на внешнее воздействие равно ~10-15 с, тогда как в современных устройствах оно составляет -10-9 с. В итоге эффективность молекулярного компьютера по сравнению с современными должна повыситься ~ в 1010 раз.
Ключевая проблема создания молекулярных ИМС - это интеграция молекул в схему. Молекулярное устройство должно представлять собой сложные разветвленные цепи из атомных группировок. Подходы к созданию базовых элементов ИМС хорошо разработаны, но проблема их интеграции в порядке, обеспечивающем работу схемы, еще далека от решения.
Принцип решения ясен - это должен быть процесс самосборки, основанный на молекулярном распознавании взаимно дополняющих структур. Такой принцип использует природа для создания сложных функциональных структур типа ДНК.
В настоящее время разработаны технологии некоторых простых процессов самосборки. Это - формирование упорядоченных самоорганизованных пленок; синтез по методу Мэррифилда, в котором соединяются «выходы» одних молекул с «входами» других; получение трехмерных молекулярных структур типа «решеток», «лестниц» и крестообразных структур (из молекул ДНК).
Молекулы ДНК могут быть присоединены к неорганическим и органическим частицам, кремниевым поверхностям. Это дает возможность создания «гибридных» устройств. Например, разработаны приемы подсоединения нанопроволок к свободным концам ДНК. Созданы ДНК чипы и ДНК-матрицы - устройства, в которых цепи ДНК закреплены на твердотельной подложке (стекло, кремний и др.). ДНК-матрицы могут включать от 102 до 104 сайтов (участков) на поверхности чипа, размер сайтов - 10-100 мкм, каждый сайт содержит от 106 до 109 аминокислотных последовательностей ДНК.
Если использовать органические молекулы в качестве базовых элементов ИМС в рамках традиционных схемотехнических и технологических приемов, то ключевой проблемой является проблема контактов. В любом случае для проектирования молекулярных устройств необходимо знать электрическое сопротивление контакта «молекула - соединительный проводник», характеристики молекул-диодов, триодов, переключателей.
Молекулярные элементы памяти. Существуют классы молекул, которые могут находиться в двух стабильных состояниях с различными значениями электропроводности. Такие молекулы могут быть использованы в качестве переключателей или элементов памяти. На рис. 6.10 показан пример катенановой молекулы (катенановыми называются молекулы, в которых одно молекулярное кольцо механически сцеплено с другим кольцом), состояние которой меняется при подаче напряжения. Длина молекулы - 1 нм, ширина - 0,5 нм.
На рис. 6.10, а представлено разомкнутое состояние; в этом состоянии молекула проводит ток хуже, чем при взаимном расположении колец, изображенном на рис. 6.10, б. Напряжение, которое удаляет электрон (-е-) вызывает окисление. Группа, содержащая атомы серы S, становится положительно ионизованной и электростатически отталкивается от группы, кольцо которой содержит ионы азота N. Это приводит к повороту кольца, расположенного в левой части молекулы рис. 6.10, а. Молекула приобретает форму, показанную на рис. 6.10, б. Такая форма соответствует замкнутому состоянию, так как электропроводность системы колец увеличивается.
а б
Рис. 6.10. Схематическое представление одного из вариантов молекулярного элемента памяти
Подача напряжения обратной полярности (+е-) вызывает химическое восстановление, и молекула возвращается в состояние, представленное на рис. 6.10, а.
Состояния, изображенные на рис. 6.10, б, являются стабильными. Под действием внешнего напряжения переход происходит быстро и обратимо. Поэтому такая молекула может быть использована для запоминания информации: «0» - состояние рис. 6.10, а, «1» - состояние рис. 6.10, б.
Существует много органических молекул, способных «переключаться» под действием напряжения или света.