Применение наноструктур для создания элементов приборных устройств
Переход к новым методам производства, особенно переход к созданию изделий «снизу вверх» с помощью поатомной или помолекуляр- ной сборке, возможен в течение ближайших десятилетий.
Однако в данном случае речь идет о ближайшей перспективе использования тех или иных наноматериалов или наноструктур. Для развития электроники выделяются три основных направления: конструкционное (улучшение прочностных характеристик несущих конструкций, корпусных и др. элементов), функциональное (улучшение используемых и применение новых свойств силами нанотехнологий) и комбинированное. Уже сейчас наноразмерные покрытия и наночастицы используются для увеличения прочностных характеристик материалов в разы и на порядки; известны фильтрационные, каталитические, абсорбционные свойства нанопористых материалов. Наночастицы (Co, Ni), нанокристаллические металлические нитридные пленки (ZrN, AlN), сверхрешетки типа Nb/Fe, Nb/Ge; ультрадисперсные порошки обладают уникальными магнитными свойствами. А также проволочные нанокомпозиты (типа Cu-Nb), проводящие наноструктурные пленки TiN, TiB2, наночастицы металлов в полимерах, использование нанотрубок позволяют улучшать одновременно характеристики электропроводности и прочности. Термоэлектрические наноматериалы (сверхрешетки на основе квантовых точек PbSeTe, квантовых проволок SiGe и квантовых стенок PbTe/Pb1-xEuxTe) благодаря высоким параметрам добротности считаются перспективными для систем преобразования солнечной энергии и криотехники. Материалы с высокой диэлектрический проницаемостью применяются в качестве многослойных конденсаторов, термисторов, варисторов, элементов памяти, чувствительных датчиков и др. Наноструктуры металл-диэлектрик-полупроводник являются основными базовыми элементами ИС. Переход к нанополупроводникам сопровождается сдвигом спектров люминесценции в коротковолновую область, увеличением ширины запрещенной зоны, что находит важные технические приложения. Монокристаллические частицы в полимерных матрицах рассматриваются как возможные светодиоды и оптические переключатели, а также сенсоры. Применение гетероструктур с квантовыми ямами и сверхрешетками типа AlGaAs/GaAs в полупроводниковых лазерах позволяет снизить пороговые токи и использовать более короткие волны излучения, что повышает быстродействие, снижает энергопотребление оптоволоконных систем. Нанопроводники и особенно нанотрубки являются самыми перспективными для создания эмиттеров, транзисторов и переключателей нового поколения [21 - 24]. Наконец, наноэлектромеханические системы позволят связать макро- и наномиры со всей совокупностью электронных устройств. Сфера применения НЭМС - суперминиатюрные сенсоры, электромоторы, преобразователи, датчики, вентили, клапаны, конденсаторы, резонаторы, генераторы и др. Сообщается, что измерение перемещений на уровне тысячных долей нанометра возможно с помощью НЭМС на основе датчика из GaAs (3000x250x200 нм) в совокупности с одноэлектронным транзистором [25].Как известно, любые интегральные схемы фактически являются высокоорганизованными композитными структурами, и поэтому в начале технических разработок в области микроэлектроники наиболее подходящими материалами для их реализации были сочтены монокристаллы. Однако со временем оказалось, что жесткий внутренний порядок кристалла вносит серьезные ограничения в технологические процессы формирования интегральных микросхем. Естественной реакцией на это обстоятельство был переход к планарным технологиям, широкому использованию пленочных структур и т.п. материалов, то есть фактический отказ от объемных (трехмерных) систем. В результате, технологической основой современной твердотельной электроники стали планарные (2D) технологии. При этом для дальнейшего увеличения плотности элементов необходимо переходить либо к трехмерным (3D) наносистемам, либо к молекулярной электронике.
Физико-химические методы, основанные на принципах самоорганизации наноприборов, позволяют довести объемную плотность элементов в 3D-системах до 1*1014 - 5*1014 см-3 (при поперечных размерах элементов от десятков до сотен нм).
Такие композиты, кроме всего прочего, работают при плотностях тока на 3 - 4 порядка ниже, чем в планарных системах. И хотя за счет использования различных видов литографии и ускорительной техники в последнее время удалось добиться выдающихся результатов по уменьшению размеров полупроводниковых элементов, в настоящем, планарные технологии приблизились достаточно близко к своим физическим границам, а, следовательно, становится неизбежным переход к трехмерным наносистемам (наноэлектроника).Уже сейчас можно прогнозировать, что применение наноструктурных материалов в таких областях техники, как оптоэлектроника, системы передачи и управления световыми потоками, в частности, в оптоволоконных системах связи, позволит создать элементную базу нового поколения. Это высокоскоростные системы передачи информации, низкопороговые лазеры и усилители, интегральная и ближнепольная оптика, и самое главное, оптические компьютеры, а также системы записи, обработки и отображения информации оптическими методами.