Цифровой журнал «Компьютерра» 2010 № 28 - [26]
В майском номере Nature Nanotechnology Letters группа учёных (Martin Fuechsle et al.) из Австралии и США опубликовала статью Spectroscopy of few-electron single-crystal silicon quantum dots, в которой авторы рассказывают о новом классе транзисторов на основе кремния, в котором лишь семь атомов фосфора в островке 3х4 нм>2.
«Компьютерра» уже отмечала, что подобные разработки свидетельствуют о том, что высокотехнологическое будущее не за горами.
Подробно разъяснить достижение своих австралийских коллег и рассказать о транзисторах с несколькими атомами примеси согласился доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией физических основ материаловедения кремния Института физики полупроводников СО РАН Владимир Попов.
Владимир Попов
- Владимир Павлович, как устроен обычный «макроскопический» транзистор?
- Транзистор — это управляемый полупроводниковый триод, который позволяет слабым низковольтным сигналом контролировать довольно большие токи. До него был электровакуумный прибор, который был сделан более чем сто лет назад и работал сначала в режиме токов, ограниченных инжекцией электронов из катода.
История изобретения полевого транзистора как основы сегодняшней информационной технологии также довольно давняя и тесно переплетена с электронными лампами. Интересно, что эволюция транзисторов идет в обратном направлении: от длинного канала, где ток ограничен пространственным зарядом, к короткому, где ток ограничен инжекцией. Первый патент на полевой транзистор датирован 1928 годом, его получил Лилиенфельд из США.
На самом деле он почти наш соотечественник, уроженец Львова, еврей, сначала он окончил университет в Вене, затем попал в Германию, работал в Берлине, и когда начались фашистские погромы, в 1926 году эмигрировал в США. Там ему предложили заняться твердотельной тематикой, а до этого он как раз работал с электровакуумными рентгеновскими трубками, и ему пришла мысль перенести свой опыт в твёрдое тело. Но, к сожалению, несмотря на то, что патент оказался вполне успешным (в смысле признания), его устройство вряд ли было сделано из-за неумения пассивировать поверхность полупроводников. Еще есть тонкоплёночные транзисторы.
Их изобрели тоже в Германии, в Гётенгене. Британский патент получил Оскар Хайл (Oscar Heil) в 1935 году. У него была русская жена Агнесса Арсеньева (Agnesa Arsenjewa), физик из Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе, они вместе известны как изобретатели клистрона, сверхвысокочастотного электровакуумного прибора.
Эволюция электровакуумных триодов и МОП-транзисторов. R. Dutton in PhD of Reza Navid, 2005
Реализован, разумеется, был транзистор на кремнии. Приоритет изобретения отдан ровно 50 лет назад американцам — Дэвону Кангу и Мартину Аттале (Dawon Kahng and Martin M. (John) Atalla), хотя справедливости ради нужно упомянуть заявку на изобретение, посланную в конце 50-х годов молодым советским исследователем Раулем Нахмансоном из НИИ «Пульсар» (Москва), работавшим позднее в нашем Институте физики полупроводников СО АН. К сожалению, эксперт Союзпатента перепутал транзистор с диодом и заявку отверг, похоронив приоритет амбициозного учёного.
Почему полевой транзистор именно кремниевый? Потому что у него совершенная граница с диэлектриком, и низкая плотность электронных состояний на уровне Ферми, а значит, можно менять проводимость, прикладывая к поверхности диэлектрика электрический потенциал. Полевой транзистор сейчас — это артефакт, который сделан в наибольшем количестве экземпляров.
На каждого человека на Земле приходится 10>10 транзисторов, это 10 миллиардов. Гвоздей за всю историю сделано меньше. Мы можем гордиться тем, что это самый массовый продукт. Размеры транзистора постоянно уменьшаются, и есть физические законы, которые позволяли это делать вплоть до последних 10 лет. А в последние 10 лет они работают сравнительно плохо, потому что разработчики дошли до физических пределов. И это сопряжено с очень серьёзными проблемами.
Технология использования отдельных атомов и молекул в электронике развивается уже давно. Последние публикации научного центра IBM в Цюрихе, например, демонстрируют изображения атомов, составляющих бензольное кольцо. Они легко наблюдаются в сканирующем туннельном микроскопе. Использовать эту технологию можно не только для того, чтобы наблюдать структуры, но также и чтобы создавать их.
Надо сказать, что эта группа учёных не была первой, потому что туннельной технологией пользуются давно, и было очень много споров по поводу того, как могут работать такие одномолекулярные транзисторы с ограниченным количеством атомов. Сначала были теоретические работы, а в 2009-2010 гг. появились и практические.
Но в подобных разработках, как правило, используются уникальные структуры, например, графен. Это моноатомный лист графита, то, что остается в следе карандаша. Если, например, провести линию на бумаге, она будет состоять из стопок графеновых чешуек. Из каждой чешуйки можно сделать транзистор. Но объединить это с существующей кремниевой технологией достаточно сложно, потому что это углерод, а значит, это другие технологические процессы, другая химия. И поскольку много усилий уже вложено в кремниевую технологию, все стараются придумать что-то аналогичное для кремния.
