Наноэлектроника лит-ра / dragunov

УДК 539.22

Д 721

Инновационная образовательная программа НГТУ «Высокие технологии»

Рецензенты: д-р физ.-мат. наук, профессор О.В. Кибис, д-р физ.-мат. наук, профессор В.Н. Шумский

Работа подготовлена на кафедре ПП и МЭ

Драгунов В.П.

Д 721 Наноструктуры : физика, технология, применение : учеб. пособие / В.П. Драгунов, И.Г. Неизвестный. – Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2008. – 356 с.

ISBN 978-5-7782-1070-7

Рассматриваются вопросы, связанные с новыми тенденциями развития кремниевой наноэлектроники, увеличением чувствительности нанопроволочных химических и биологических сенсоров, созданием ПЗС-фотоматриц высокой плотности и чувствительности и их применение в цифровой фото- и видеоаппаратуре.

Приведены основные сведения об особенностях энергетического спектра и транспорта носителей заряда в одномерных системах (квантовых проводниках) и углеродных нанотрубках.

Кратко изложены термины, принципы, достижения и перспективы в таких быстро развивающихся областях, как магнитоэлектроника (спинтроника) и фотонные кристаллы.

Пособие предназначено для студентов старших курсов и аспирантов, специализирующихся в области полупроводниковой нанотехнологии, микро- и наноэлектроники.

Предисловие

Предлагаемое издание посвящено одному из разделов стремительно развивающейся в настоящее время отрасли науки и техники – нанотехнологии. С полным основанием можно утверждать, что приставка «НАНО», впервые появилась в терминологии полупроводниковой электроники, где уже много лет употреблялся термин МИКРОЭЛЕКТРОНИКА. В конце XX века миниатюризация полупроводниковых приборов и интегральных схем привела к введению термина субмикронные и глубоко субмикронные полупроводниковые приборы. Эти термины относились к приборам с базовыми размерами менее микрона (0.5…0.7 мкм). Транзистор с длиной канала 0,18 мкм (180 нм) назывался уже глубоко субмикронным. Ограничениям методов масштабирования, проектирования и особенностям работы приборов таких размеров посвящены книги Г.Я. Красникова [1].

Начиная с размеров 120–90 нм, постепенно возникли названия: НАНОЭЛЕКТРОНИКА (по аналогии с микроэлектроникой), НАНОТРАНЗИСТОР, и далее в различных публикациях, в различных областях науки и техники – НАНОСТРУКТУРА и НАНОТЕХНОЛОГИЯ.

В России первое издание книги «Основы наноэлектроники» вышло в Новосибирском государственном техническом университете в 2000 году [2]. Второе издание этой книги со значительными дополнениями увидело свет в 2004 году, и, в связи с большим спросом было переиздано в 2006 году в Московском издательстве «Физматкнига, Логос» [3].

Проблема нанотехнологии оказалась столь важной и актуальной, что ею заинтересовалось правительство Российской Федерации, создав ряд государственных структур с солидным финансированием. К этому надо добавить, что программы развития нанотехнологии созданы и щедро финансируются правительствами большинства развитых стран мира.

3

Большой интерес к данной проблеме связан с тем, что идеология и принципы развития, заложенные в этой новой отрасли, используются практически во всех существующих областях науки и техники. Этот принцип заключается в том, что нанотехнология занимается манипулированием материей на атомарном (молекулярном) уровне. Иначе говоря, НАНОТЕХНОЛОГИЯ – это совокупность способов и методов модификации вещества, позволяющая работать со структурами, имеющими размеры от 100 до 1 нм (10–9 м), с целью получения объектов (структур) с принципиально новыми химическими, физическими и биологическими свойствами. В литературе многими исследователями подчеркивается важность тезиса об обязательном получении нового, лучшего качества при переходе к наноструктурам. Утверждается (и авторы с этим согласны), что только наличие этого факта позволяет говорить о возникновении нанотехнологии, а не фиксации получения объектов с размерами на уровне нанометров.

Именно это и происходит при уменьшении длины канала МДПтранзистора менее 100 нм. В этом случае, например, используя огромные механические напряжения (выше предела разрушения макрообъектов), можно получать увеличение подвижности носителей заряда в канале в два и даже три раза, что обусловлено изменением расстояния между атомами в решетке кремния и соответственно изменением энергетического спектра электронов. Заметим, что это стало возможным только при локальном введении механического напряжения в нанометровые участки полупроводниковой поверхности. Этим, а также другим вопросам, связанным с новыми тенденциями развития кремниевой наноэлектроники, посвящена глава 1.

Аналогично, при переходе к нанопроволокам, где длина экранирования заряда превышает толщину нанопроволоки (диаметр на уровне 1…10 нм), получаем резкое увеличение воздействия поверхностного адсорбированного заряда на проводимость. Или, иначе говоря, значительное увеличение чувствительности нанопроволочного химического или биологического сенсора до возможности обнаружения единичных молекул или вирусов (глава 3).

В обоих случаях переход к наноразмерам привел к появлению нового качества.

Точно так же развитие нанотехнологий в области МДП-структур привело к созданию ПЗС-фотоматриц высокой плотности и чувствительности – основы современных фото- и телекамер, чрезвычайно широко использующихся как профессионалами, так и любителями. Если к

4

этому прибавить, что на основе полупроводниковой нанотехнологии изготавливаются использованные в этих приборах: флеш-память, микропроцессоры, дисплеи, то станет очевидным, что причиной широкого распространения миниатюрных, надежных многопиксельных цифровых фотоаппаратов и телекамер является применение именно полупроводниковой нанотехнологии (глава 2).

Из неполного перечня примеров легко понять, что нанотехнологию с ее всеобъемлющим проникновением в физику, химию, материаловедение, электронику, медицину, биологию и другие науки можно охарактеризовать как прорыв в новой промышленной революции.

Если говорить о физике твердого тела, физике полупроводников и полупроводниковой электронике, то прежде чем двигаться дальше в развитии нанотехнологии, необходимо разобраться в так называемых размерных эффектах. Это значит, что мы должны в каждом конкретном случает поиска нового качества при переходе к наноразмерам определить, почему и на каком уровне свойства и реакции твердых тел на внешние воздействия зависят от их размеров.

Именно поэтому в пособии появились главы об особенностях транспорта носителей заряда в одномерных структурах (глава 4), магнитоэлектронике (глава 6) и фотонных кристаллах (глава 7). Исследования этих объектов несомненно дают дополнительные знания для создания новых аспектов нанотехнологии в области материаловедческой науки, электроники и фотоники.

Особую роль в развитии нанотехнологии играют углеродные наноструктуры. В настоящее время это углеродные нанотрубки (глава 5). Уникальное строение, зачастую необычное поведение в электрических и магнитных полях, высокая подвижность носителей заряда позволяют надеяться на широкое применение их в качественно новом развитии как электроники, так и сенсорной электроники. Правда, несмотря на ряд выдающихся результатов, полученных на лабораторных образцах, сдерживающим фактором их развития, на наш взгляд, до сих пор является отсутствие воспроизводимой технологии получения структур, пригодных для дальнейшей групповой технологии изготовления приборов.

В заключение авторы приносят свою глубокую благодарность за очень полезное обсуждение, советы, замечания и предоставление материалов при подготовке текста книги: академикам К.А. Валиеву и А.А. Орликовскому, докторам наук В.П. Попову, В.А. Гридчину, В.Н. Шумскому.

5

Докторам наук В.Н. Шумскому и О.В. Кибису авторы приносят, кроме того, глубокую благодарность за труд по рецензированию книги, деловое обсуждение и ценные замечания.

Список литературы

1.Красников Г.Я. Конструктивно-технологические особенности субмикронных МОП-транзисторов. Ч.1. – М.: Техносфера, 2002. Ч. 2. – 2004. –

535 с.

2.Драгунов В.П., Неизвесный И.Г., Гридчин В.А. Основы наноэлектрони-

ки: учеб. пособие. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2000. – 332 с.

3.Драгунов В.П., Неизвесный И.Г., Гридчин В.А. Основы наноэлектрони-

ки: учеб. пособие. – 2-е изд., испр. и доп. – Новосибирск: Изд-во НГТУ,

2004. – 496 с.

4.Драгунов В.П., Неизвесный И.Г., Гридчин В.А. Основы наноэлектрони-

ки. – М.: Университетская книга; Логос; Физматкнига, 2006. – 496 с.

6

Г л а в а 1

Новая парадигма в тенденциях развития

кремниевой наноэлектроники

Введение

Кремниевые транзисторы с изолированным затвором многие годы были основным активным элементом кремниевых интегральных схем микроэлектроники, а в настоящее время остаются таковыми и для приборов и устройств наноэлектроники. Основная идея этих приборов была запатентована в конце 20-х годов прошлого века [1].

Идея этого и последующих патентов первой половины ХХ века, посвященных приборам, использующим модуляцию проводимости пленки полупроводника поперечным электрическим полем, не была осуществлена практически до начала 60-х годов прошлого века. Эти долгие годы исследователи потратили сначала на борьбу с поверхностными состояниями, которые захватывали индуцируемый заряд, а затем со стабилизацией параметров полученной границы раздела полупроводник – диэлектрик. В основе теории поверхностных состояний лежит основополагающая работа И.Е. Тамма [2]. Первопроходцами исследований этого вопроса в полупроводниках, безусловно, являются изобретатели транзистора Дж. Бардин и У. Браттейн, которые исследовали воздействие окружающей среды на работу выхода поверхности германия [3]. В СССР огромный объем работы в этом направлении для окисных полупроводников был проделан группой ученых, возглавляе-

7

мой В.Е. Лашкаревым (Киев) [4], а для германия – А.В. Ржановым вместе с сотрудниками в ФИАНе (Москва) [5].

Началом же широкого использования МДП-транзисторов можно по праву считать две работы: одна посвящена созданию бездефектной границы раздела кремний – термически выращенный диоксид кремния [6], и вторая – осуществлению модуляции проводимости этой системы поперечным электрическим полем [7].

МДП-транзистор представляет собой два p–n-перехода, образуемые легированием примесью, например n-типа, в p-подложку (исток и сток), перекрытые металлическим затвором, отделенным от полупроводника тонким слоем диэлектрика (см. рисунок). С помощью подачи положительного напряжения на затвор создается инверсионный (электронный) канал проводимости, сила тока через который управляется затворным напряжением и напряжением между истоком и стоком. Ту же схему можно повторить для подложки с электронным типом проводимости, где будет образовываться дырочный канал проводимости.

Поперечный разрез МДП-транзистора с изолированным затвором

Одной из главных характеристик МДП-транзистора является быстродействие.

Для характеристики этого прибора в цифровых схемах используют понятие «время переключения», в аналоговых схемах обычно пользуются параметром, носящим название «граничная частота» – fT.

8

Рис. 1.1. Изменение минимального характерного размера канала МДПТ в зависимости от года выпуска (Intel). (Справа для сравнения приведены величины известных микро- и нанообъектов.)

Эти установки включают прецизионную оптику со сферическими зеркалами диаметром более метра и объективами более полуметра в диаметре, систему сканирования лазерного луча высокой точности с излучением в далекой УФ области и многие другие не менее сложные устройства. Поверхности их оптических деталей обработаны с точностью до одного ангстрема, а механические системы передвижения шайб – с субмикронной точностью. Для осуществления нанометровой литографии (меньше длины волны излучения лазера!) применяются иммерсионные жидкости, фазовые маски и т.д. В настоящей работе не ставится цель подробного изложения этого вопроса. Отметим только, что стоимость подобных установок достигает несколько десятков миллионов долларов, и, следовательно, они доступны только достаточно крупным фирмам.

Необходимо далее отметить, что каждый шаг в сторону уменьшения размеров канала и соответственно остальных составляющих транзистора требует новых конструктивных и технологических решений для предотвращения возникающих при этом деградаций определенных характеристик МДПТ. Эти изменения принято называть «короткоканальными эффектами». Наиболее характерными из них являются следующие.

1. Уменьшение порогового напряжения.

2. Увеличение туннелирования электронов через затворный окисел.

3. Рост инжекции горячих носителей в окисел.

10