Наноэлектроника

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 2294 

Кафедра полупроводниковой электроники 
и физики полупроводников 

М.Н. Орлова 
И.В. Борзых 
 

Наноэлектроника

Курс лекций 

 

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета 

Москва  2013 

УДК 621.382–022.532 
 
О-66 

Р е ц е н з е н т  
канд. техн. наук, доц. А.Р. Кушхов 

Орлова, М.Н. 
О-66  
Наноэлектроника : курс лекций / М.Н. Орлова, И.В. Борзых. – М. : Изд. Дом МИСиС, 2013. – 50 с. 
ISBN 978-5-87623-725-5 

Рассмотрены физические и технологические основы наноэлектроники. 
Описаны подходы, позволяющие формировать элементы электронной техники в приборах и устройствах наноэлектроники. Проанализированы тенденции развития наноэлектроники с технологическими нормами менее 100 нм.  
Курс лекций представляет собой практическое руководство для студентов и аспирантов технических вузов, обучающихся по направлению 210100 
«Электроника и наноэлектроника». 

УДК 621.382–022.532 

ISBN 978-5-87623-725-5 
© М.Н. Орлова 
И.В. Борзых, 2013 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение....................................................................................................4 
1. Введение в нанотехнологию  в электронике. Предпосылки  
перехода от микро- к наноэлектронике.....................................................6 
1.1. Получение полупроводниковых материалов............................10 
1.2. Получение полупроводниковых пластин..................................11 
1.3. Получение эпитаксиальных структур........................................12 
2. Физические основы наноэлектроники..............................................14 
2.1. Квантово-размерные эффекты....................................................14 
2.2. Простейшие виды  низкоразмерных объектов..........................15 
2.2.1. Квантовая яма .......................................................................15 
2.2.2. Квантовая нить......................................................................16 
2.2.3. Квантовая точка....................................................................17 
2.3. Туннельный эффект.....................................................................17 
2.3.1. Резонансное туннелирование ..............................................17 
2.3.2. Резонансно-туннельный диод..............................................18 
3. Технические средства нанотехнологии............................................21 
3.1. Два подхода к изготовлению  структур в нанотехнологиях............21 
3.2. Эпитаксиальные методы  получения наноструктур.................22 
4. Приборы наноэлектроники................................................................30 
4.1. Нанотранзисторы.........................................................................30 
4.2. Углеродные нанотрубки .............................................................32 
5. Кремний как основной  материал полупроводниковой 
наноэлектроники......................................................................................35 
5.1. Использование синхротронного излучения для анализа 
наноразмерных структур ...................................................................35 
5.2. Методы локальной модификации поверхности  
с помощью сканирующей  зондовой микроскопии.........................42 
6. Получение наноразмерных  Si–Ge-структур методом  
термического испарения ........................................................................47 
Библиографический список...................................................................49 
 

ВВЕДЕНИЕ 

История электрических изобретений широка, разнообразна и настолько интересна, что будет неправильно не упомянуть о том или 
ином изобретении, перевернувшем наше мировоззрение, а может 
и всю нашу жизнь. Рассмотрим историю не одного конкретного изобретения, а целого направления в электронике, названном в последствии наноэлектроникой. 
Что же такое наноэлектроника, кроме того, что она одна из областей современной электроники? Наноэлектроника занимается разработкой и исследованием физических и технологических процессов 
при создании электронных компонентов, в том числе и интегральных 
схем. Главная особенность наноэлектроники в том, что она охватывает только элементы с размерами менее 100 нанометров, т.е. наноэлектроника на сегодняшний день разрабатывает самые маленькие 
электронные компоненты, а также интегральные схемы на их основе. 
При таком размере обычные физические процессы в материалах полупроводников, проводников и диэлектриков уже не действуют. В ход вступают квантовые процессы. 
Вернемся к истории развития этой области. Можно считать, 
что наноэлектроника начинала свое зарождение при появлении полупроводниковых элементов. Уже тогда ученые создавали стабилитроны 
с шириной объемной области p–n-перехода в несколько десятков нанометров. Хотя сами стабилитроны нельзя считать нанометровыми, все же 
факт остается фактом. В 70–80-е годы прошлого столетия полупроводниковая электроника стала оперировать такими понятиями, как гетеропереходы, сверхрешетки, квантовые проволоки и точки, квантовые ямы. 
Уже тогда наноэлектроника как подразделение электроники стала постепенно формироваться. В производство радиокомпонентов и электронных схем стали внедряться такие совершенно новые технологии, 
как молекулярно-лучевая, ионно-плазменная, ионно-лучевое напыление, фотонный отжиг и многие другие. По сути, микроэлектроника путем выхода технологий на новый более совершенный уровень плавно 
перешла в наноэлектронику. Результатом внедрения первых нанотехнологий стало появление новейших на то время фотоприборов, светодиодов, лазеров и микросхем. 
В 80–90-е годы прошлого столетия были сделаны совершенно новые приборы, давшие толчок развитию наноэлектроники и переходу 
ее в отдельную область науки и техники. Был изобретен сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) и атомно-силовой микроскоп 

(АСМ). Они дали возможность ученым манипулировать нанометровыми кластерами в полупроводниковом материале вплоть до исследования отдельных молекул и атомов. В 1991 г. были созданы нанотрубки на основе структурной формы углерода. В 1998 г. на базе нанотрубок ученым удалось получить транзисторный эффект. В это время 
зародилась идея создавать электронные компоненты не из целых 
частей полупроводниковых и других материалов, а из отдельных 
атомов и молекул. Сначала она казалась почти утопической, но дальнейшая история развития наноэлектроники показала ее реальность. 
Кроме того, оказалось, что нанотрубки обладают рядом уникальных 
свойств, одим из которых является сверхпроводимость. В последствие эти нанотрубки были использованы при создании совершенно 
новых транзисторов и конденсаторов. 
Дальнейшее развитие наноэлектроники происходило столь стремительно, что нельзя выделить конкретные даты. Изобретения появлялись 
и появляются сейчас с удивительной скоростью. Единственным сдерживающим фактором на сегодняшний день являются недостаточно совершенные технологии. Можно сказать, что человеческая мысль намного опережает развитие технологий. Такие открытия, как трехмерный 
транзистор, асимметричный суперконденсатор, высокоскоростной транзистор на основе графена и другие воспринимаются почти как само собой разумеющееся.