Наноэлектроника, нанофотоника и микросистемная техника

В. И. Смирнов





                НАНОЭЛЕКТРОНИКА, НАНОФОТОНИКА И МИКРОСИСТЕМНАЯ ТЕХНИКА




Учебное пособие














Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 621.382
ББК 32.965
     С50

Рецензенты:
Ульяновский филиал Института радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН (директор д-р техн. наук, профессор В. А. Сергеев); заведующий кафедрой приборостроения Пензенского государственного университета д-р техн. наук, профессор В. А. Васильев


     Смирнов, В. И.
С50       Наноэлектроника, нанофотоника и микросистемная техника : учебное
     пособие / В. И. Смирнов. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. -268 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1244-5

           Изложены физические основы наноэлектроники, нанофотоники и микросистемной техники. Рассмотрены вопросы, связанные с применением наноматериалов при создании водородных топливных элементов, солнечных элементов и ионисторов.
           Для студентов, обучающихся по направлениям подготовки 11.04.03 «Конструирование и технология электронных средств», 11.03.04 «Электроника и наноэлектроника».

УДК 621.382
                                                             ББК 32.965












ISBN 978-5-9729-1244-5

    © Смирнов В. И., 2023
    © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                           © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

        СОДЕРЖАНИЕ


ВВЕДЕНИЕ........................................................5
1. НАНОЭЛЕКТРОНИКА..............................................8
1.1. Кремниевая наноэлектроника.................................8
1.2. Углеродная наноэлектроника................................26
1.2.1. Наноэлектроника на углеродных нанотрубках...............26
1.2.2. Наноэлектроника на графене..............................47
1.2.3. Полевые транзисторы на молибдените......................63
1.3. Одноэлектроника...........................................67
1.3.1. Одноэлектронное туннелирование..........................68
1.3.2. Принцип действия одноэлектронного транзистора...........72
1.3.3. Технология изготовления одноэлектронных транзисторов....74
1.4. Молекулярная электроника..................................80
1.4.1. Общие сведения о молекулярной электронике...............80
1.4.2. Технология получения молекулярных структур..............83
1.4.3. Элементы молекулярной электроники.......................86
1.5. Спинтроника...............................................96
1.5.1. Физические основы спинтроники...........................96
1.5.2. Элементы и устройства спинтроники......................105
1.5.3. Перспективы развития спинтроники.......................112
Контрольные вопросы...........................................115
2. НАНОФОТОНИКА...............................................116
2.1. Светоизлучающие приборы и структуры......................117
2.1.1. Светодиоды.............................................117
2.1.2. Полупроводниковые лазеры с гетероструктурой............120
2.1.3. Лазеры на квантовых точках.............................122
2.1.4. Квантово-каскадные лазеры..............................126
2.2. Полупроводниковые фотоприемники..........................130
2.2.1. Задачи, решаемые фотоприемными устройствами............130
2.2.2. История развития полупроводниковых фотоприемников......132
2.2.3. Фотоприемники на квантовых ямах........................136
2.2.4. Фотоприемники на квантовых точках......................142
2.3. Фотонные кристаллы.......................................151
2.3.1. Общие сведения о фотонных кристаллах...................151
2.3.2. Методы изготовления фотонных кристаллов................158
2.3.3. Свойства и применение фотонных кристаллов..............167
Контрольные вопросы...........................................173

3

3. НАНОТЕХНОЛОГИИ В ЭНЕРГЕТИКЕ...............................174
3.1. Водородная энергетика...................................174
3.1.1. Получение водорода....................................175
3.1.2. Хранение и транспортировка водорода...................177
3.1.3. Использование водородного топлива.....................179
3.1.4. Нанотехнологии в водородной энергетике................183
3.2. Солнечная энергетика....................................189
3.2.1. Общие сведения о солнечной энергетике.................189
3.2.2. Фотоэлектрические преобразователи.....................191
3.2.3. Нанотехнологии в солнечной энергетике.................200
3.3. Накопители электроэнергии...............................205
3.3.1. Общие сведения о накопителях электрической энергии....205
3.3.2. Ионисторы.............................................208
3.3.3. Нанотехнологии в производстве ионисторов..............210
Контрольные вопросы..........................................213
4. МИКРОСИСТЕМНАЯ ТЕХНИКА....................................214
4.1. Микроэлектромеханические системы........................214
4.1.1. Общие сведения о МЭМС и НЭМС..........................214
4.1.2. История развития МЭМС.................................217
4.1.3. Технология изготовления МЭМС-устройств................220
4.1.4. Конструкции МЭМС-устройств и их принципы действия.....229
4.2. Наноэлектромеханические системы.........................247
4.2.1. Наноактюаторы.........................................248
4.2.2. Наносенсоры...........................................251
Контрольные вопросы..........................................261
ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................262
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.....................................264

4

        ВВЕДЕНИЕ


     Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлениям 11.04.03 «Конструирование и технология электронных средств» и 11.03.04 «Электроника и наноэлектроника». Целью пособия является формирование у студентов представлений об использовании нанотехнологий в таких областях, как электроника, оптоэлектроника, энергетика и микросистемная техника.
     В настоящее время сложилось несколько направлений наноэлектроники: кремниевая электроника, углеродная электроника, одноэлектроника, молекулярная электроника и спинтроника. Кремниевая электроника представляет собой, по существу, традиционную микроэлектронику с достигнутой в настоящее время топологической нормой порядка 10 нм, что и позволяет отнести ее к наноэлектронике. Дальнейшее уменьшение топологической нормы представляется весьма проблематичным из-за ряда физических ограничений, связанных, в частности, с туннелированием электронов через подзатворный слой диэлектрика в МДП-транзисторах; с проблемами тепловыделения в интегральных схемах, содержащих миллиарды транзисторов на кристалле; с временными задержками распространения сигнала в быстродействующих интегральных схемах и т. д. Тем не менее очевидно, что кремний еще долго будет оставаться базовым материалом при изготовлении электронных компонентов.
     В углеродной электронике для создания транзисторов и других электронных компонентов используются углеродные нанотрубки (УНТ) и графен. Уже разработаны и изготовлены лабораторные образцы логических элементов и триггеров на УНТ, элементов памяти и даже интегральных схем. И хотя первый транзистор на УНТ был создан почти два десятка лет назад, широкому распространению УНТ и графена в электронной промышленности препятствует ряд нерешенных проблем. Тем не менее данное направление представляется наиболее перспективным.
     Одноэлектроника основана на использовании эффекта дискретного туннелирования отдельных электронов через потенциальный барьер (эффекте «кулоновской блокады»). Основоположниками этого направления были ученые из МГУ им. М. В. Ломоносова, которым в конце 80-х годов прошлого века удалось изготовить прототип одноэлектронного молекулярного нанокластерного транзистора. В настоящее время этим направлением

5

активно занимаются в различных странах. Удалось создать действующие образцы одноэлектронных транзисторов и даже ряд цифровых устройств на их основе. Однако промышленное производство таких электронных компонентов возможно лишь в весьма отдаленной перспективе.
     Молекулярная электроника представляет собой область фундаментальных исследований, направленных на поиск новых принципов обработки информации с использованием отдельных молекул или их фрагментов, в том числе реализация аналога p-n -перехода или транзистора на основе отдельной молекулы. Основоположниками молекулярной электроники принято считать сотрудников фирмы IBM А. Авирама и М. Ратнера, которые в 1974 году выдвинули идею молекулярного выпрямителя (диода). Для реализации этой идеи они предложили использовать органические молекулы, расположенные между двумя металлическими электродами. Позже появились идеи создания молекулярных транзисторов, а также элементов памяти и логических элементов. Ожидается, что в 20-х годах появится первый молекулярный компьютер, однако до промышленного производства таких устройств еще очень далеко.
     Гораздо более оптимистичны перспективы спинтроники, представляющей собой научно-техническое направление, ориентированное на создание устройств, в которых для физического представления информации кроме заряда электрона используется и его спин. Хорошим стимулом для развития спинтроники послужило присуждение в 2007 году Нобелевской премии по физике А. Ферту (Франция) и П. Грюнбергу (Германия) за открытие эффекта гигантского магнетосопротивления, обнаруженного в многослойных тонкопленочных структурах, составленных из чередующихся слоев немагнитного материала между противоположно намагниченными ферромагнитными материалами. В приборных структурах спинтроники используется явление магнитного туннельного перехода между намагниченными ферромагнитными слоями, разделенными тонким диэлектриком. О реальных перспективах спинтроники говорит тот факт, что промышленностью уже освоен выпуск энергонезависимой магниторезистивной оперативной памяти.
     Фотоника использует физические явления в веществе, связанные с взаимным преобразованием электрических и оптических сигналов, что позволяет создавать устройства для генерации, передачи, хранения, обработки и отображения информации. Фотоника по существу является анало

6

гом электроники, только вместо электронов в ней используются кванты электромагнитного поля - фотоны. Созданы ряд устройств (светодиоды, лазеры, фотоприемные устройства), в структуре которых имеются слои с квантовыми точками, что резко повысило основные технические характеристики таких устройств. Несколько лет назад промышленностью освоен выпуск телевизоров с экраном на квантовых точках. В ближайшем будущем следует ожидать появления и других коммерческих продуктов на квантово-размерных структурах.
     В области микросистемной техники, которую в технической литературе часто называют микроэлектромеханическими системами (МЭМС), прогресс еще более очевиден. Создан ряд коммерческих МЭМС-устройств, широко используемых в различных областях науки и техники. Это акселерометры и гироскопы, составляющие основу средств навигации летательных аппаратов, датчики давления и расходомеры, используемые в автомобилестроении, струйные принтеры и проекторы с микрозеркалами, обеспечивающие цифровую обработку света, микрофоны с размерами менее 1 мм и многое другое. По оценкам специалистов рынок МЭМС-устройств в настоящее время составляет около 20 млрд долларов и имеет устойчивую тенденцию роста.

7

1. НАНОЭЛЕКТРОНИКА


1.1. Кремниевая наноэлектроника

     Тенденции развития микроэлектроники. Основной тенденцией развития микроэлектроники является уменьшение размеров элементов интегральных микросхем (ИС), повышение степени интеграции и функциональной сложности устройств на базе постоянного совершенствования технологических процессов и поиска новых конструктивных решений. Эта тенденция выразилась в так называемом «законе Мура», который представляет собой скорее эмпирическое правило. В 1965 году один из будущих основателей корпорации Intel Г. Мур предсказал, что количество транзисторов в ИС будет примерно удваиваться каждые два года. Вычислительная мощность микропроцессоров, измеряемая в миллионах выполняемых команд в секунду, стабильно увеличивалась с повышением количества транзисторов. Прогноз, сделанный на самом начальном этапе развития микроэлектроники, достаточно хорошо оправдывался на протяжении 40 лет.
     В 2007 году Мур заявил, что закон, очевидно, скоро перестанет действовать из-за приближения минимального размера элементов ИС к физическому пределу, определяемому атомарной природой вещества и конечной скоростью распространения электромагнитного взаимодействия. Например, для процессора с тактовой частотой 10 ГГц время такта составляет 100 пс и за 1 такт свет в диэлектрике может пройти расстояние порядка 15-20 мм, что примерно соответствует размеру кристалла ИС. Согласно фундаментальным законам физики передача информации на определенное расстояние не может происходить быстрее скорости света.
     Современный этап характеризуется достижением минимальных размеров элементов, близких к физическим ограничениям на предельный размер (который оценивается величиной ~10 нм), разработкой ИС со степенью интеграции 108 транзисторов на кристалле, постепенным отходом от классических активных элементов и разработкой одноэлектронных приборов, разработкой фотонных и квантовых компьютеров, освоением новых функциональных материалов, постепенным переходом к молекулярной электронике и биоэлектронике. Все это указывает на то, что кремниевую микроэлектронику можно уже с полным правом называть наноэлектроникой.


8

     Основным параметром, характеризующим уровень технологии производства ИС, является минимальная технологическая (топологическая, проектная) норма. Говоря о технологической норме, обычно имеют в виду минимальный для данной технологии характеристический размер. Длина затвора МДП транзистора приблизительно в 1,5-2 раза меньше технологической нормы. Длина канала, как правило, оказывается еще меньше длины затвора. Уменьшение технологической нормы идет по поколениям, с приблизительно одинаковым масштабным множителем, равным V2". Соответствующий ряд технологических норм исторически имеет следующий вид: 0,5 мкм ^ 0,35 ^ 0,25 ^ 0,18 ^ 0,13 (130 нм) ^ 90 ^ 60 ^ 45 ^ 32 нм. В настоящее время ведущими фирмами-производителями ИС и микропроцессоров освоена 22-нанометровая технология. Имеются сообщения о готовности производства чипов с технологической нормой 14 и 10 нм. Samsung, например, запустил производство 10-нанометровых чипов на основе FinFET транзисторов в 2016 году. Дальнейшему уменьшению технологических норм препятствуют технологические, схемотехнические и фундаментальные физические ограничения.
     Рассмотрим наиболее заметные конструктивные решения, которые существенно изменили структуру МДП-транзисторов, составляющих основу микропроцессоров и других ИС. Структура МДП-транзистора, разработанная еще на начальном этапе развития микроэлектроники, представлена на рис. 1.1. Принцип работы такого транзистора прост -при подаче на затвор положительного напряжения, превышающее некоторое пороговое значение, в приповерхностном слое полупроводника под затвором будет индуцироваться канал п -типа. Если между стоком и истоком транзистора имеется напряжение, то между ними будет протекать ток.

Рис. 1.1. МДП-транзистор с индуцированным каналом п-типа

9

     Для МДП-транзисторов, входящих в состав ИС и микропроцессоров, одним из наиболее важных параметров является быстродействие. Определяющую роль здесь играет длина канала и подвижность носителей заряда в канале. Уменьшение длины канала приводит не только к росту основных функциональных параметров отдельных транзисторов, но и к практически квадратичному увеличению плотности элементов в ИС при условии, что вместе с длиной канала пропорционально уменьшается и ширина затвора. Однако при уменьшении планарных размеров затвора уменьшается емкость структуры затвор-полупроводник, которая определяется емкостью подзатворного диэлектрика и емкостью области пространственного заряда на границах p-n-переходов транзистора. В конце концов, емкость транзистора становится сравнимой с паразитными емкостями между соседними элементами. Переключение одного транзистора начинает влиять на режим работы соседнего транзистора, что недопустимо. Поэтому при уменьшении размеров затвора необходимо уменьшать толщину подзатворного слоя диэлектрика.
     Существует правило, выведенное из многолетнего технологического опыта, согласно которому при использовании материала подзатворного слоя из диоксида кремния SiO₂ его толщина должна быть примерно в 45 раз меньше планарных размеров затвора. Например, при проектной норме 45 нм это составляет 1 нм. При такой толщине слоя SiO₂ его электрическая прочность становится недопустимо низкой.
     Подзатворный диэлектрик. Как уже отмечалось, при использовании материала подзатворного слоя из диоксида кремния SiO2 толщина слоя для современных ИС должна быть на уровне 1 нм. Для сравнения -период кристаллической решетки кремния равен 0,543 нм. Кристаллическая решетка кварца SiO2 ромбоэдрическая, параметры элементарной ячейки: а = 0,490 нм; с = 0,539 нм. Таким образом, толщина слоя SiO₂ в 1 нм приблизительно равна нескольким межатомным расстояниям, в результате чего он становится туннельно прозрачным. Затвор в этом случае уже не изолирован по току от канала, величина паразитного тока через затвор может быть сравнима с током исток-сток, что приводит к нагреву ИС даже в «холостом» режиме. Поскольку количество транзисторов на кристалле очень большое, то и суммарный ток становится большим. Это может вызвать сильный нагрев ИС. В то же время, если увеличить толщину подзатворного слоя SiO2, то уменьшится емкость

10

«затвор-исток», что усложнит процесс переключения канала транзистора из проводящего состояния в закрытое и наоборот. В этом случае на затвор придется подавать более высокое напряжение, что увеличит энергопотребление каждого транзистора. Однако, если использовать диэлектрик с более высокой по сравнению с SiO2 диэлектрической проницаемостью (так называемый «high-k dielectrics»), то его толщину можно увеличить. Такой диэлектрик должен обладать технологической совместимостью с процессом изготовления ИС, иметь достаточно высокое пробивное напряжение и низкую плотность поверхностных состояний на границе раздела с кремнием, быть совместимым с материалом затвора. Так же велик перечень требований и к материалу затвора.
     Первыми решили эту проблему инженеры Intel, которые вместо диоксида кремния перешли к новому материалу с существенно большей диэлектрической постоянной - оксиду гафния HfO2, что позволило достичь требуемой емкости с приемлемой толщиной диэлектрика. Это был столь существенный технологический скачок, что Мур написал: «Реализация high-k означает наиболее революционное изменение в технологии со времени изобретения МДП-транзисторов с поликремниевыми затворами в конце 60-х годов». Позже стали использовать и другие материалы. Так, применив в качестве подзатворного диэлектрика оксинитрид кремния-гафния HfSiON с диэлектрической проницаемостью k = 20 - 40 и толщиной в 3 нм, для технологического процесса 45 нм удалось уменьшить токи утечки в сотни раз. Что касается материала электрода затвора, то вместо широко используемого высоколегированного поликристаллического кремния стали использовать металлы и металлические сплавы. Например, в 65-нанометровом технологическом процессе используется силицид никеля NiSi.
     Напряженный кремний. Подвижность носителей заряда в канале является важнейшей характеристикой МДП-транзистора, непосредственно определяющей его быстродействие. Подвижность носителей в полупроводнике зависит от их эффективной массы, которая, в свою очередь, определяется зонной структурой кристаллической решетки полупроводника. Подвергая решетку воздействию механического напряжения, можно изменять эффективную массу носителей. Кремний, как известно, является непрямозонным полупроводником, в нем абсолютные минимумы зоны проводимости находятся на краях зоны Бриллюэна. Электроны зоны про

11

водимости «заселяют» шесть X-долин с анизотропной эффективной массой. В ненапряженном кремнии с ориентацией (100) в переносе заряда участвуют электроны из всех шести долин. При приложении электрического поля вдоль одного из кристаллографических направлений <010>, в переносе заряда задействованы электроны из двух долин с продольной (тяжелой) массой, а также из четырех долин с поперечной (малой) массой. Разница масс большая, поэтому электроны из двух долин фактически не участвуют в переносе заряда. Если пленку кремния растянуть вдоль направлений <010> и <001>, то электроны, участвующие в проводимости, заселяют именно нужные четыре долины (две другие смещаются по энергии вверх), и подвижность может возрасти (в идеале почти в полтора раза). В кремнии p-типа, при приложении сжимающих напряжений, зона тяжелых дырок уходит по энергии вниз, и заполненной остается только зона легких дырок.
     Самый распространенный вариант создания механических напряжений состоит в использовании кремний-германиевых сплавов. Кремний и германий являются химически совместимыми элементами, обладают неограниченной растворимостью, т. е. могут образовывать сплав при любом химическом составе. Постоянная решетки германия (~0,56 нм) приблизительно на 4 % больше постоянной решетки кремния (~0,54 нм). Поэтому, если слой кремния сформировать на подложке из кремний-германиевого сплава, то кремний оказывается под действием растягивающего механического напряжения, действующего по всем направлениям (двухосное растяжение). Для создания растягивающих напряжений можно использовать также нанесение поверх транзисторной структуры слоев Si₃N₄, вызывающих общее растяжение транзисторной структуры, включая область канала.
     Впервые технология «напряженного» кремния была реализована для 90-нанометровой проектной нормы в 2001 году в IBM. Схематическое изображение структуры кремниевого МДП-транзистора с «напряженным» каналом представлено на рис. 1.2, а увеличенное изображение структуры транзистора - на рис. 1.3. Для создания «сжатого» канала p-типа формирование областей истока и стока транзистора осуществлялось с использованием сплава Si1-хGeх. Направление механических напряжений показано стрелками. Создание растягивающих напряжений в канале n-типа осуществлялось с помощью формирования на поверхности пленки из Si₃N₄.

12