2. Основные тенденции развития нано- и оптоэлектроники.

Значительный прогресс в развитии наноэлектроники оказался возможным, прежде всего, из-за развития в 80-ые годы техники осаждения очень тонких плёнок, образующих гетероструктуры, в которых электроны как бы оказываются «заключёнными» (локализованными) внутри двумерных (2D) системах. Были разработаны новые технологии, такие, как молекулярно-пучковая (лучевая) эпитаксия МПЭ (MBE) и газофазная эпитаксия на основе металлоорганических соединений МОС ГФЭ (MOCVD). В методе МПЭ осуществляется эпитаксиальное выращивание плёнок требуемого соединения на подложках в условиях сверхвысокого вакуума (10^-10 мбар). Требуемое вещество испаряется в цилиндрической эффузионной ячейке Кнудсена при достаточно высоких температурах. Вылетающие из ячейки атомы или молекулы формируют молекулярный пучок, двигающийся по прямым линиям к подложке, на которой они конденсируются.

Метод МПЭ позволяет не только получать сверхтонкие плёнки одноэлементных полупроводников (Si, Ge) и соединений A₃B₅ (AlGa, AlGaAs, InP) или A₂B₆ (CdTe, PbS), но послойно выращивать плёнки и сверхрешётки, а также легировать их атомами заданного типа (B, Al, As и др.). Этот метод позволяет получать высококачественные плёнки, но он является дорогим и малопроизводительным. С промышленной точки зрения для получения полупроводниковых гетероструктур более привлекательным является метод MOCVD. Он позволяет выращивать слой арсенида галлия GaAs на подложке при температуре около 500^о С при пониженных давлениях. В некоторых случаях осаждением из газовой фазы удается вводить в полупроводники легирующие добавки (например, в GaAs можно ввести донорную примесь Si). Описываемая техника позволяет осуществлять осаждение на несколько пластин одновременно, достаточно легко наносить покрытие на большое количество пластин, что уже используется в производстве полупроводниковых лазеров.

Современная наноэлектроника развивается одновременно в нескольких направлениях, одним их которых выступает наноэлектроника твёрдого тела. Основой такой электроники выступают гетероструктуры хорошо изученных материалов (Si, SiO₂, соединения A₃B₅), а также некоторые типы транзисторов: с гетеропереходами, одноэлектронные, с резонансным туннелированием, баллистические и др. Однако некоторые из задач современной электроники (например, распознавание речи и визуальных образов) требуют столь больших вычислительных мощностей, что исследователи занимаются интенсивным поиском радикально новых приборов и материалов. (Это такие как Ta₂O₅ и BST (Ba_xSr_1-xTiO₃) с большими, чем у оксида и оксинитрида кремния значениями диэлектрической проницаемости ε. У BST это значение достигает 2000, но в плёнках удалось реализовать 200, что уже не мало. Плохо, что этот материал взаимодействует с Si и требуются буферные слои.) Некоторые из альтернативных решений, такие, например, как сверхпроводящая электроника и спинтроника, могут использовать технологию изготовления элементов интегральных схем.

Сверхпроводящая электроника (первые прототипы получены в 80-х) основана на сверхпроводниковых переходах джозефсоновского типа, представляющих собой два сверхпроводящих слоя, разделённых очень тонким слоем окисной изолирующей плёнки, через которую может осуществляться туннелирование сверхпроводящей электронной пары. Преимущества электронных устройств такого типа основаны на том, что джозефсоновские переходы позволяют работать при очень высоких скоростях (время переключения от 1 до 10 пикосек), из-за чего рассеиваемая энергия очень мала, и электрическим сопротивлением всех соединительных линий сверхпроводящей системы можно практически пренебречь.

В качестве другой альтернативной технологии предлагается так называемая спинтроника, в которой для записи информации используется ориентация спина электрона. Так называемые электрон-спиновые (спинтронные, спиновые) транзисторы представляют собой трёхслойную (сэндвич) структуру, в которой слой полупроводника (база) заключена между двумя слоями фарромагнетика (эмиттер и коллектор). Электроны, магнитное состояние которых определяется эмиттером, поступают в коллектор через базу только в том случае, если их спины параллельны направлению намагниченности коллектора. Электрон-спиновые транзисторы могут иметь огромные перспективы, если исследователям удастся интегрировать их в широко распространённые КМОП-схемы.

Существуют и другие радикальные альтернативы развития наноэлектроники, из которых следует упомянуть, прежде всего, молекулярную электронику, основанную на использовании различных состояний или конфигураций молекул. Если основанную на таких принципах электронику действительно удастся создать то молекулярная электроника приведёт к удивительному прогрессу в миниатюризации, поскольку характерные размеры молекул на порядки меньше, чем размеры элементов существующих электронных схем. Огромным преимуществом молекул выступает присущая им способность к самоорганизации в трёхмерные супрамолекулярные структуры, не говоря уже о том, что развитие сканирующей атомно-силовой микроскопии позволяет манипулировать отдельными молекулами. В качестве примера объектов молекулярной электроники можно указать молекулы азобензола, гидразобензола и т.д.

Следует упомянуть и о так называемой биоэлектронике, принципы которой связаны с функционированием биологических систем. В попытках копирования природных процессов мы не всегда должны основываться только на соображениях размера. Например, нейроны нервной системы слишком велики (!) для стандартов нанотехнологии, но наноэлектроника может извлечь много полезной и важной информации из исследований самой способности параллельной обработки информации в таких системах. Именно по этому принципу работает человеческий мозг, имеющий 10¹² нейронов со временем переключения ~10 миллисекунд. Помимо этого, изучение нейронных сетей позволит нам гораздо лучше понять принципы объединения вычислительных и запоминающих функций в живых организмах (КМОП-схемы осуществляют эти процессы раздельно).