5. Приборы наноэлектроники

В последние годы появились серьезные проблемы в развитии интегральной электроники, связанные с тем, что планарная технология приближается к физическим пределам возможности повышения степени интеграции.

В связи с проявлением волновых свойств в наноразмерных элементах основными процессами при переносе носителей становятся интерференция и дифракция электронных волн, квантовые энергетические ограничения при движении носителей заряда и туннельные переходы электронов через узкие потенциальные барьеры.

Начинают действовать квантовые законы и эффекты. Например, пробел между проводящими дорожками шириной 50 нм насквозь “простреливается” в поперечном направлении электронами за счет туннельного эффекта. Возникают также проблемы отвода тепла, выделяемого сверхплотно расположенными в микрообъеме кристалла элементами и уровня собственных шумов, соизмеримого с полезным сигналом или даже превышающего его.

В настоящее время разрабатываются методы создания наноэлектронных приборов на квантоворазмерных эффектах для работы в различных областях длин волн, включая оптический диапазон, например, инжекционные лазеры на гетероструктурах. Лазерное излучение в них возникает в слое с узкой запрещенной зоной, который называется активным слоем, заключенном между широкозонными слоями. По обе стороны активного слоя вблизи поверхностей раздела возникают потенциальные барьеры для носителей и почти все дырки и электроны рекомбинируют в активном слое, излучая свет с длиной волны пропорциональной ее ширине.

Один из возможных путей дальнейшего прогресса — разработка интегральных устройств, в которых роль электронов частично или полностью передается фотонам. Это должно привести к созданию вычислительной техники, намного превосходящей по быстродействию и информационной емкости современные электронные устройства. Идея замены электронов фотонами породила новое направление в электронике — нанофотонику.

Сочетание магнитных полупроводников с фотоникой позволит создать запоминающие устройства на ядрах атомов и на основе интеграции составных частей компьютера реализовать на одном магнитнополупроводниковом оптическом чипе сверхбыстрые и сверхэффективные нанокомпьютеры и другие устройства обработки, передачи и хранения данных.

Использование на чипе магнитооптоэлектронных структур позволит изготавливать очень быстрые переключатели и коммутаторы сигналов, способные работать на частотах в несколько терагерц и осуществлять прямое преобразование информации из электронного представления в оптическое и обратно.

Еще одно альтернативное направление – углеродная наноэлектроника, в которой ведущая роль принадлежит углеродным нанотрубкам. Одно из важнейших свойств нанотрубок — возможность управления их физико химическими свойствами посредством изменения хиральности – скрученности решетки относительно продольной оси. Всего лишь правильно изогнув нанотрубку в нужном месте, можно получить проволоку нанометрового диаметра как с металлическим, так и с полупроводниковым типом проводимости. При этом соединение двух таких нанотрубок образует диод, а трубка, лежащая на поверхности окисленной кремниевой пластины — канал нанотранзистора.

Такие наноэлектронные устройства уже созданы и доказали свою работоспособность. Компания Samsung намерена применить нано и биотехнологии в мобильных телефонах для передачи сигнала нейронам и считывания эмоций. Philips делает энергонезависимую наноэлектронную память.

Исследователям из японского Национального Института материаловедения удалось перенести на квантовый уровень технологию выключателей. Принцип работы такого выключателя состоит в том, что при смене знака напряжения на устройстве, между двумя нанопроводниками возникает или распадается мостик из серебра, который выполняет роль проводника. Длина мостика, по которому протекает ток, – всего 1 нанометр. На отрезке длиной 1 нанометр можно расположить 10 атомов водорода. Транзистор, изготовленный на основе этого ключа, будет на порядок меньше транзистора, используемого в современном процессоре. То, что этот прибор работает по законам квантовой физики, позволяет создавать на его основе многобитную память. Как известно, в квантовой физике различные энергетические состояния квантуются, принимая определенные дискретные уровни. Поэтому один ключ может представлять 16 состояний, или 4 бита. Компания HP объявила стратегию наноэлектроники, основанную на подобных молекулярных ключах.

Еще одна возможная перспектива развития наноэлектроники – управление спином электрона, имеющего два устойчивых состояния, переводя его из одного состояния в другое, например, с помощью воздействия электромагнитного поля. Этим занимается научное направление спинотроника. Развитие спинотроники обещает производство компьютеров с быстродействием порядка 1 ТГц (10¹² операций в секунду) и плотностью записи информации порядка 100 Тбит/см², что на много порядков выше, чем достигнутые сегодня показатели.

К перспективным направлениям развития нанотехники, относится и переход от электронных компьютеров к наномеханическим. Такой наномеханический компьютер оказался бы в миллиарды раз компактней современной микроэлектроники. Хотя механические сигналы передаются в 100 тыс. раз медленнее электрических, им нужно было бы “преодолевать” путь в 1 млн. раз меньший, чем электронам в современных микросхемах. Поэтому механический нанокомпьютер был бы и более быстродействующим.

Ведутся исследования и в области биоэлектроники. В отличие от обычных, биологические компьютеры могут выполнять одновременно не одну, а много программ. Израильские ученые создали компьютер, состоящий только из ДНК и энзимов, способный параллельно выполнять 1 миллиард программ без вмешательства оператора для обработки результатов. Применять такой компьютер планируют для одновременного биохимического анализа множества веществ и для шифрования больших изображений.