Слова «наноструктуры» и «нанотехнологии» ТВ уже превратило в символ чуда, которое нас спасет и полностью изменит жизнь, а жить в надежде на чудо для России вполне естественно и привычно. Но есть и чисто научная, физическая, сторона вопроса. Правда, объяснить ее людям, не только не знающим, что такое полупроводник или на чем основано действие транзистора, но и забывшим разницу между биссектрисой и медианой, очень непросто.
Моим гуру стал Рубен Сейсян, доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией физической и функциональной микроэлектроники Центра физики наногетероструктур Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе (ФТИ), он же заведующий кафедрой твердотельной электроники физико-технического факультета Политехнического университета. С его помощью я попытался разобраться в том, что такое петербургская наноэлектроника, какими терминами и красивыми названиями оперирует и какие задачи она перед собой ставит.
Нано. Символ времени
В том, что всем привычный термин “микроэлектроника” вдруг сменился непривычными терминами с приставкой “нано”, есть, безусловно, моменты спекуляции, выгоды и пропаганды (“Я приставку “нано” стараюсь не употреблять, хотя микроэлектроника давно и безвозвратно углубилась в наноизмерение”, – говорит Рубен Сейсян). “Микро” означает микрометр, микрон, одну миллионную часть метра, десять в минус шестой степени; “нано” – в 1000 раз меньше, десять в минус девятой степени (сама эта приставка происходит от греческого слова “nanos”, “карлик”). Смысл перехода от “микро” к “нано” – переход на более “мелкий”, “наноскопический” уровень.
Но при этом количественном переходе, как учит диалектика Гегеля, может происходить качественное изменение. И если при уменьшении размеров неких “единиц” вещества до величин от 1 до 100 нанометров мы сталкиваемся с эффектами, дающими новое качество вещества, то можно говорить о наноматериалах. Соответственно процессы, которые позволяют, уменьшая размеры до “карликового” нанодиапазона, получать новые качества вещества, называются нанотехнологиями. В целом же новая область знания образовалась как междисциплинарная наука на стыке электроники полупроводниковых гетероструктур, с одной стороны, и материаловедения, понимаемого как синтез новых материалов, с другой. Естественно, с учетом понятий квантовой физики.
Как известно, новизна в науке новейшего времени возникает именно как синтез дисциплин.
Многие идеи, используемые в нанотехнологиях, имеют почтенный возраст. Скажем, любимая Рубеном Сейсяном квазичастица экситон была введена в 1931 году Я. И. Френкелем. Автором идеи перемещения отдельных атомов считают Ричарда Фейнмана и датируют 1959 годом, когда он выступил с публичной лекцией. Впервые термин “нанотехнология” употребил Норио Танигути в 1974 году. Этим термином он назвал производство изделий размером несколько нанометров.
Идея тут же была подхвачена фантастом Куртом Воннегутом, который в романе “Фарс, или Долой одиночество!” (“Slapstick or Lonesome No More!”, 1977) разработал сюжет существенного уменьшения физических размеров китайцев: “Из достоверных источников было известно, что ученые Китайской Народной Республики произвели интересные опыты. Цель опытов – выведение мелкого поголовья людей в целях экономии. У маленького человека и потребности куда меньше. Ему нужно меньше пищи, меньше тканей для одежды”.
Наконец, в 1980-х годах этот термин использовал Эрик Дрекслер (тоже отчасти фантаст) в своих книгах “Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology” и “Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing, and Computation”. На определенной стадии развития технологических потребностей все эти “спавшие” идеи были востребованы.
Для развлечения читателей в арсенале популяризаторов нанотехнологий есть рассказы про дамасскую сталь и так называемый кубок Ликурга. Это примеры случайного создания наноматериалов в древности (см. справку “Популярное нано”).
Эпитаксия – это так просто
Одна из самых распространенных нанотехнологий, позволяющая понять, что такое нанотехнологии вообще, – это молекулярно-пучковая эпитаксия (МПЭ).
Эпитаксия – это ориентированный рост одного кристалла на поверхности другого. Эпитаксия как таковая известна давно и использовалась в полупроводниковой электронике (при создании транзисторов, светодиодов и интегральных схем) и в квантовой электронике (многослойные полупроводниковые гетероструктуры), статья об эпитаксии есть в 30-м томе “Большой советской энциклопедии” (1978).
Дальнейшее развитие привело к созданию молекулярно-пучковой эпитаксии, обеспечивающей наращивание одного молекулярного слоя на другом.
Основа современной полупроводниковой эпектроники – гетероструктуры, которые создаются при контакте полупроводников с различным химическим составом, один из которых часто имеет электронную, а другой – дырочную проводимость.
Диоды и транзисторы – основа всех микроэлектронных устройств – построены на основе полупроводников с гомо- или гетероструктурами. Проблема создания заключена в резкости перехода от вещества с дырочной проводимостью к веществу с проводимостью электронной. Для создания идеальных гетероструктур часто используется метод молекулярно-пучковой эпитаксии.
Например, в создании монокристалла с гетеропереходами участвуют молекулы алюминия (Al), галлия (Ga) и мышьяка (As). Схема создания полупроводниковой гетероструктуры методом молекулярно-пучковой эпитаксии выглядит так. В вакууме производится гетероэпитаксия – выращивание одного кристалла на грани другого. Подложка – чистый арсенид галлия GaAs (могут быть также InP, GaSb, CdTe… сапфир стал широко применяться, когда пошел в ход GaN, но только для него одного); берутся источники – Al, Ga и As, источники нагреваются, и вещество начинает испаряться.
Регулируя плотности потока вещества, слой за слоем выращивают монокристаллическую гетероструктуру. Путем подбора компонентов можно регулировать параметры образующейся кристаллической решетки. Так происходит создание новых кристаллических образований в виде эпитаксиальных слоев. Они применяются при создании, например, лазеров.
Несмотря на достаточно простую идею (была предложена еще в середине 1960-х годов), реализация данной технологии требует чрезвычайно сложных технических решений: в рабочей камере установки необходимо поддерживать сверхвысокий вакуум, а чистота испаряемых материалов должна достигать 99,999999%.
Качество выращенных пленок зависит от согласования постоянных решеток (величина, характеризующая расстояние между атомами в кристаллической решетке) материала и подложки. Чем больше рассогласование, тем меньшей толщины можно вырастить бездефектную пленку. Растущая пленка подстраивается под кристаллическую структуру подложки, но если постоянная решетки растущего материала отличается от постоянной решетки подложки, в пленке возникают напряжения, увеличивающиеся с ростом толщины пленки. А это может приводить к ухудшению электрофизических свойств материала.
Как бодро писали в советских газетах, поиск ученых продолжается.
Нанолитография. Это так дорого
Одно из важнейших направлений в нанотехнологиях, которым заняты в Физико-техническом институте, является нанолитография. Литография – один из основных технологических процессов в микроэлектронике. Речь идет о создании рисунка на поверхности полупроводниковой пластины, который воспроизводит конфигурацию интегральной схемы.
Будущие проводники рисуют специальным составом, который не позволит фольге под ним раствориться при травлении, а потом применяется травление, и на подложке остаются только нарисованные проводники, заменяющие электропровода. Этот принцип был осуществлен при создании микросхем, потом БИС – больших интегральных схем, потом СБИС – сверхбольших интегральных схем.
По мере уменьшения размеров и перехода в нанодиапазон возникла необходимость перейти от фотолитографии (при которой “рисунок” на кремнии образуется под воздействием света), дающей разрешающую способность в 350 нанометров, к ультрафиолетовым лазерам, дающим минимальный размер уже до 180 нанометров. Однако и это не предел, и стоит задача разработки методов литографии с разрешением гораздо ниже 100 нанометров, в частности, для засвечивания подложки с нанесенным на нее светочувствительным слоем используется Экстремальный УльтраФиолет (ЭУФ) – наиболее коротковолновое ультрафиолетовое излучение (длина волны 10 – 20 нм), граничащее с мягким рентгеновским излучением (меньше 10 нм).
Посредством такой нанолитографии можно существенно уменьшить размеры тех элементарных “частиц”, из которых создают СБИСы (сверхбольшие интегральные схемы) – прежде всего, это транзисторы. А уменьшение размеров автоматически влечет за собой не только компактность, но и надежность, быстродействие и производительность.
Минимальный размер, получения которого добиваются сейчас, – это транзистор, который занимает площадь 20 х 20 нанометров, т.е. на одном квадратном сантиметре БИС находится 250 млрд транзисторов. Транзистор – это первоэлемент, из которого путем электрических соединений получается элементарная ячейка памяти – так называемый триггер, который может находиться в одном из двух состояний – “1” или “0” (поэтому говорят, что триггер может хранить 1 бит данных). Соответственно, если триггер состоит из 6 транзисторов, можно оценить емкость элементов памяти. Увеличение памяти прямо зависит от эффективности описанной технологии. Скажем, речь может идти о плотности в 40 млрд триггеров на 1 кв. см, что соответствует 40 тыс. Мбит. Создание компактной памяти – одна из задач развития нанотехнологий.
Однако это только один из аспектов. Достижение разрешения в 10 – 30 нанометров, намечаемое на вторую половину 2010-х годов, позволит, как указывает Рубен Сейсян, использовать нанолитограф для создания произвольно упорядоченных наноструктур, тогда как существующий на сегодняшний день инструментарий, основанный на природной самоорганизации кристаллов, оставляет довольствоваться лишь хаотическим распределением наночастиц.
Что можно узнать, создавая нанолитограф
Не имея практической возможности популярно объяснить технические детали, приведу цитату из отчета Рубена Сейсяна. Отчет позволяет если не понять, то хотя бы прочитать и увидеть, что создание такой техники двигает вперед сразу несколько отраслей науки и техники и создает национальный научный приоритет и тот центр компетенции, о котором недавно сказал премьер Путин*.
“Разработанный прибор является одним из наиболее точных приборов современности. Для его создания были подготовлены технологии подготовки поверхностей с шероховатостью 1 – 3 ангстрема и точностью асферизации** формы порядка 5 – 7 ангстрем. Фокусировка и совмещение топологических рисунков с точностью не менее 10 ангстрем. Для этих целей были разработаны специальные технологии, подобными которым обладают лишь считанные фирмы во всем мире.
Новый интерферометр с дифракционной точкой для контроля отклонений таких поверхностей от заданных с точностью (0,01 – 0,001)λ при λ = 630 нм.
Технология фильтров, портативный спектрометр и кремниевый ЭУФ-датчик.
Мощный эксимерный лазер и макет ЭУФ капиллярного лазера.
Пьезопозиционеры нового типа…”
Нанотранзистор и нанотриггер
Если вернуться к числовым выкладкам и от числа триггеров в 1 кв. см “пленки памяти” (40 х 109) перейти к площади одного триггера, то окажется, что она будет равна 2500 нм2. То есть один триггер будет занимать площадь не менее 50 х 50 нм2. На самом деле триггеров будет меньше, т.к. между транзисторами должны быть промежутки для проводников и других элементов. Поэтому встает задача создания нового типа транзистора – например, интерференционного, который основан на волновых свойствах электрона. Поскольку по мере приближения к нанодиапазону начинают проявляться квантовые свойства электрона, в его поведении преобладающими оказываются свойства волны (на самом деле электрон, как и всякая элементарная частица, дуален – он одновременно и волна, и частица). С одной стороны, это приводит к нарушению работоспособности классических транзисторов, использующих закономерности поведения электрона как частицы, а с другой – открывает перспективы создания новых переключающих, запоминающих и усиливающих элементов для информационных систем.
Представим раздваивающийся туннель, по каждой ветви которого от эмиттера к коллектору распространяется электрон-волна. В середине есть устройства, которые при приложении напряжения смещают фазу этой волны, так что суммарная (интерференционная) волна, возникающая в том месте, где две ветви тоннеля соединяются, может быть из-за смещения фазы слабее, чем при отсутствии смещения фазы, или сильнее. Как говорят, происходит конструктивная или деструктивная интерференция электронов за счет приложенного электростатического потенциала. Фактически это элементарный усилительный элемент, транзистор.
На основе таких транзисторов возможно создание триггеров размером 50 х 50 нм и менее. В свою очередь, для создания таких транзисторов необходима разработка нанолитографов с высокой степенью разрешения, работающих в диапазоне рентгеновского излучения.
Когда вещество низкоразмерно
Еще одно направление из числа самых передовых, которое развивается в ФТИ, – связано с экситонами, квазичастицами в полупроводниковых кристаллах, которые переносят энергию, не перенося заряд. Рубен Сейсян сравнивает экситон с атомом водорода, у которого вместо атомного ядра – дырка, вокруг которой и вращается электрон. Таким образом, это электронно-дырочная пара, способная свободно распространяться по кристаллу.
При помощи магнитоспектроскопии полупроводниковых наноструктур можно моделировать низкоразмерное состояние вещества. Низкоразмерным в отличие от объемного (3D, three-dimensional) называют такое состояние кристаллов, когда движение носителей заряда ограничено в одном, двух или всех трех измерениях. Соответственно говорят о двумерных, одномерных и нульмерных объектах. Размерность 2 – плоскость, или квантовая яма; 1 – линия, или квантовая проволока, наконец, 0 – точка, или квантовая точка. Например, в случае тонкой пленки с квантовомалой толщиной материального слоя электрон или дырка оказываются в прямоугольной потенциальной яме. Вдоль ямы по измерениям x и y движение остается свободным, как и в объемном кристалле, тогда как поперек ямы в направлении z движение ограничено.
Если раньше речь шла о строительстве гетеропереходов из атомов и молекул различных веществ, то теперь имеется в виду создание вещества с определенной энергетической характеристикой, определяемой тем, на каких орбитах и сколько находится электронов.
Оказалось, что, изменяя размерность, можно радикальным образом изменять энергетический спектр системы, что способствует не только решению фундаментальных проблем квантовой механики и физики полупроводниковых кристаллов, но и созданию совершенно новых полупроводниковых приборов.
По мнению Рубена Сейсяна, именно низкоразмерные гетеросистемы станут основной материальной базой микроэлектроники и оптоэлектроники нынешнего столетия. Уже появился термин “зонная инженерия”, подобно “генной инженерии” в биологии, для обозначения попыток искусственного создания новых материалов с заданной зонной структурой, т.е. с заданным спектром электронных энергетических уровней.
Причем создание и широкое исследование низкоразмерных систем стали возможными благодаря разработке прецизионных методов их изготовления, таких, как, например, МПЭ, со схематического описания которой началась статья.
Кстати, помимо МПЭ существуют и другие методы гетероэпитаксии. Это газофазная эпитаксия, более производительная эпитаксия с применением металло-органических соединений, жидкофазная эпитаксия, наконец, замечательный метод, называемый молекулярным наслаиванием, или ALD (Atomic Layer Deposition).
Так были выращены квантовые ямы и сверхрешетки с многократно повторяющимися слоями ям и барьеров. Толщина слоев при этом устанавливается с точностью до одного атомного монослоя. Далее из них могут быть изготовлены квантовые проволоки и точки.
Например, на основе квантовых точек (физически представляющих собой кластеры из тысячи атомов) удалось изготовить наиболее эффективные элементы для солнечных батарей, а также впервые создать экспериментальные полупроводниковые лазеры, демонстрирующие потенциальную возможность изготовления приборов, имеющих исключительно низкие пороги генерации при отсутствии зависимости этих порогов от рабочей температуры.
Нано-финансовая яма
Деньги к вам, конечно, рекой текут, спросил я, имея в виду, с одной стороны, госкорпорацию “Роснанотехнологии”, а, с другой стороны, передовой характер исследований, проводимых в ФТИ.
Никаких денег от “Роснанотехнологии” до нас не доходит, сказал Сейсян. Сказано было дипломатично: можно подумать, что финансовый поток направляется, но отклоняется в сильном магнитном поле.
Ответ меня удивил и не удивил одновременно. Не удивил, потому что на науку деньги вообще доходят плохо, и в “Роснано” они есть, но крутятся они, не затрагивая физическую науку, поскольку она не кажется ее начальникам коммерческим проектом. А удивил, потому что ФТИ – это и есть уже состоявшийся центр компетенции, куда стоит вливать инвестиции. Причем те технологии, на которые сейчас вышли, та же молекулярно-пучковая эпитаксия, нанолитография и экситоника (достижение квантовых низкоразмерных эффектов) – все это вещи весьма дорогие. И продвижение вперед требует затрат – хотя бы потому, что здесь идет собственная работа, а не повторение иностранных достижений. Каждый нанометр и ангстрем требует вложений миллионов, а сулит миллиарды. И свои собственные сверх-сверх… интегральные схемы – это новый уровень экономики в целом, который никогда не достичь никакими закупками за рубежом, потому что всегда будут как отстающим снисходительно предлагать осетрину второй свежести.
* “Если мы говорим в целом об экономике, то нет смысла заниматься импортозамещением, если можно купить задешево. Потому что, если мы всегда будем стремиться догонять, мы всегда будем в отстающих”. В. В. Путин. Выступление 27 мая 2009 г. на расширенном заседании правления Торгово-промышленной палаты РФ – http://premier.gov.ru/events/2939.html.
** Было необходимо отклониться от точной сферической формы, это названо асферизацией.
_________________________________________________________
Популярное нано:
Про кубок
Кубок Ликурга, изготовлен в IV в. н.э., хранится в Британском музее. На стенах кубка изображены сцены из жизни спартанского законодателя Ликурга. Кубок изменяет свой цвет из-за плазмонного возбуждения металлических частиц в стеклянной матрице. Если зеленоватую чашу осветить изнутри, она будет казаться красной.
Кубок содержит микроскопические частицы золота и серебра, добавленные в стекло. Считается, что древние римляне применяли сверхмалые частицы золота или серебра для придания различным стеклянным изделиям специфической окраски. Эффект достигнут за счет введения в материал наночастиц золота. Специалисты считают, что это не было осознанное использование нанотехнологий римлянами, а эффект, полученный в результате многовекой практики стеклодувов.
Про саблю
Мечи из т.н. дамасской стали ковались на Ближнем Востоке и в Индии с VIII в. до начала XVIII в. нашей эры. Клинки славились своей исключительной прочностью и небывалой остротой, технология их изготовления была утрачена.
Исследование дамасской сабли XVII века занялись немецкие кристаллографы из Дрезденского технического университета. Они обнаружили, что структура дамасской стали указывает на то, что в процессе литья в нее, вероятно, добавлялись другие компоненты, можно даже утверждать, что это представляет собой самое раннее применение технологии углеродной нанотрубки. С другой стороны, эти компоненты способствовали образованию нанопроволок карбида железа, благодаря которым мечи из дамасской стали обладали особенной твердостью.
