Что такое "Наноэлектронная элементная база информатики"? Как "увидеть" наноразмерные элементы?

Что такое "Наноэлектронная элементная база информатики"?

Напомним, что термином "элементная база" обозначают систему узлов, схем, устройств (структурных элементов, строительных "кирпичиков" и блоков), а также способов и методов их соединения и взаимодействия, необходимых для построения соответствующих машин, устройств и других изделий.

Информатикой (англ. informatics, information science) называют, как известно, отрасль науки и техники, изучающую структуру и общие свойства информации, разрабатывающую технические средства и методы ее передачи, переработки, хранения, получения, преобразования из одних видов в другие, визуального и звукового воспроизведения, а также использования в различных сферах деятельности человека.

"Элементная база информатики" – это система структурных элементов, способов и методов их соединения, необходимых для построения технических средств информатики.

Под "наноэлектроникой" понимают раздел электроники, занимающийся разработкой физических и конструктивно-технологических основ создания интегральных электронных схем со структурными элементами нанометровых размеров – примерно от 1 до 1000 нм.

Исходя из сказанного, "Наноэлектронная элементная база информатики" – это система наноразмерных структурных элементов, способов и методов их соединения и взаимодействия, необходимых для построения технических средств информатики. Это также научно-техническая дисциплина, изучающая и описывающая принципы построения наноэлектронной элементной базы информатики.

Указанная выше граница – "1000 нм" – между микроэлектроникой и наноэлектроникой достаточно условна. На самом деле больших и тем более принципиальных различий между структурными элементами размером, например, 900 нм и 1100 нм нет. Некоторые специалисты считают верхней границей наноэлектроники не 1000 нм, а 100 нм. Но разве имеются принципиальные различия между элементами размером 100 нм и, например, 200 нм? Качественные изменения в свойствах и функционировании элементов проявляются с уменьшением их размеров постепенно. И лишь вблизи нижней названной границы – "1 нм" – изменения становятся уже очень существенными, иногда даже разительными. Эти изменения мы конкретно рассмотрим далее.

Мы считаем, что лучше придерживаться простого метрического подхода: если размеры элементов удобней, естественней задавать в микрометрах, то это – микроэлектроника, если в нанометрах, то это – наноэлектроника, а если (в будущем) в пикометрах, то это – пикоэлектроника. Понимая, конечно, всю условность такого деления.

Становление и развитие наноэлектронной элементной базы информатики (далее для краткости мы будем использовать аббревиатуру "НЭБИ") являются закономерным продолжением развития микроэлектроники и многих других областей науки и техники. В своем стремительном развитии, в постоянной борьбе за уменьшение так называемых "проектно-технологических норм" микроэлектронная промышленность пересекла условную границу в 1000 нм уже в 90-х годах ХХ в. В 1995 г. проектно-технологические нормы на передовых производствах составляли 0,35 мкм = 350 нм, а сейчас пересекают черту в 32 нм.

Предпосылки становления НЭБИ вызревали давно, однако бурное её развитие началось только в последние десятилетия и продолжается сейчас. Не только дальновидные научно-производственные фирмы, но и парламенты и правительства многих развитых стран выделяют на развитие нанотехнологий, в т.ч. НЭБИ, значительные финансовые ресурсы. Подобный "героический период" микроэлектроника переживала в 60-70 гг. ХХ в. Тогда в ней одновременно развивалось много разных направлений, конкурировали между собой различные подходы, разные полупроводниковые, пленочные и прочие материалы, разные принципы организации логики, схемотехники, различные технологические направления. И только со временем, в упорном, честном соревновании различных направлений стало ясно, каким из них следует отдать предпочтение с точки зрения экономики. Приблизительно так же происходит сейчас и в наноэлектронике. Параллельно развиваются много разных традиционных и новых направлений. Какие из них будут воплощены в жизнь и окажутся ведущими, – сейчас сказать еще нельзя. Поэтому мы ознакомим вас со всеми перспективными направлениями развития НЭБИ, раскрывая принципы и идеи, лежащие в их основе. Какие из них останутся на основном пути развития наноэлектроники, окажутся экономически наиболее выгодными, – покажет лишь время.

Вы, нынешние студенты, будете жить в обществе, в котором средства информатизации будут пронизывать уже все сферы производства, коммуникации, образования, управления государством, большинство процессов повседневной жизни. И постепенно эти средства будут становиться в основном наноэлектронными. О принципах действия наноэлектронных структурных элементов и устройств, об их ожидаемых технических характеристиках, о физических явлениях и закономерностях, лежащих в их основе, о способах их структурной организации и о технологиях их изготовления мы и расскажем вам в этом учебном пособии.

Как "увидеть" наноразмерные элементы?

Первым очевидным качественным изменением при переходе от микроэлектронной элементной базы информатики к наноэлектронной является невозможность увидеть наноразмерные структурные элементы не только невооруженным глазом, но и в оптический микроскоп, невозможность рассматривать сквозь него и контролировать с его помощью размеры и качество наноразмерных элементов.

Оптические микроскопы были единственным средством визуализации микрообъектов до 30-х годов ХХ в. С их помощью удалось рассмотреть живые биологические клетки и бактерии размером в единицы микрометров, структуру микроорганизмов, невидимых невооруженным глазом, строение микрокристаллов и магнитных доменов и т.п. Они же были основным средством контроля размеров и качества элементов в микроэлектронике. Но из-за дифракции световых волн разрешающая способность оптических микроскопов не может превышать половину длины волны видимого света (от 400 до 700 нм). Даже у наилучших современных оптических микроскопов разрешающая способность не превышает 0,2 мкм = 200 нм. Для визуализации наноразмерных объектов надо было использовать излучение со значительно меньшей длиной волны – рентгеновское (или электронное). В рентгеновском диапазоне электромагнитных волн сформировать качественные увеличенные изображения никак не удавалось из-за отсутствия рентгеновских линз. Поэтому основные усилия были сконцентрированы на использовании электронов.