СФЕРИЧЕСКИЙ МНОГОСЛОЙНЫЙ КОМПОНЕНТ ЭЛЕКТРОННОЙ СХЕМЫ ДЛЯ НАНО- И МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
SPHERICAL MULTILAYER COMPONENT OF ELECTRONIC CIRCUIT FOR NANO- AND MICROELECTRONICS

Изобретение относится к области микро- и наноэлектроники и может быть использовано в качестве резистора, конденсатора, диода, транзистора и др., которые могут быть объединены в матричную систему (аналог интегральной схемы).
Известен полевой нанотранзистор, содержащий слой полупроводникового материала, в котором выполнен проводящий канал, слой тонкого диэлектрика, расположенный на поверхности полупроводникового материала, затвор, выполненный на поверхности тонкого диэлектрика, контакты сток, исток, слой полупроводникового материала расположен на слое нижнего диэлектрика, выполненного на полупроводниковой подложке, являющейся нижним затвором, проводящий канал наноструктурирован в виде периодической решетки квантовых проволок, слой тонкого диэлектрика обхватывает каждую квантовую проволоку проводящего канала с трех сторон, а затвор выполнен в виде металлической полоски нанометровой ширины и обхватывает каждую квантовую проволоку проводящего канала с трех сторон, причем тонкий диэлектрик содержит окна, в которых выполнены металлические контакты сток и исток, подсоединенные к каналу. В качестве полупроводникового материала может быть использован кремний. В качестве диэлектрика может быть использована термическая двуокись кремния. В качестве полупроводниковой подложки может быть использована подложка из кремния. Технический результат - повышение степени интеграции, уменьшение размеров полевого нанотранзистора, исключение короткоканальных эффектов при работе полевого нанотранзистора, повышение крутизны и радиационной стойкости полевого нанотранзистора, повышение экологичности производства (см. патент РФ №2250535, МПК H01L 29/786).
Недостатком данного устройства является техническая сложность и высокая стоимость изготовления, в частности при реализации проводящего канала, который наноструктурирован в виде периодической решетки квантовых проволок. Для формирования затвора, представляющего собой металлическую полоску нанометровой толщины, необходимо применение электронной литографии.
Известны упорядоченные 2D и 3D структуры металлического материала, составленного из полых металлических сфер, и метод их составления (см. патент CN № 1487108, МПК C22C 1/08). Для создания структуры использованы полистирольные микросферы как основа для нанесения металлического покрытия. Для нанесения металлического покрытия используется электролиз, расстояние между полистирольными сферами обеспечивается электростатическими силами отталкивания, что позволяет формировать последующие металлические оболочки на поверхности подложки. Недостатком изобретения является то, что предполагается с использованием данной методики формирование коллоидного кристалла, пределы применения которого достаточно ограничены в силу отсутствия возможности задействовать функциональные возможности отдельных металлических сфер в связи с тем, что в описании изобретения отсутствует описание коммутирования металлических оболочек между собой.
Известны непланарные эпитаксиальные структуры кремния, полученные методом газофазной эпитаксии на полупроводниковой подложке, выполненной в виде полого цилиндра (см. патент РФ №2290717, МПК H01L 21/20).
Недостатком изобретения является сложность изготовления полупроводниковой подложки в виде полого цилиндра, которая существенно возрастает с уменьшением размеров цилиндра. Последующее нанесение других функциональных слоев ограничено с точки зрения контролируемого управления толщины покрытия в нанометровом диапазоне.
Задачей изобретения является повышение эффективности дискретных элементов, таких как резисторы, конденсаторы, диоды, транзисторы, и создание матричных систем из данных элементов (аналогов интегральных схем).
Технический результат заключается в получении еще одного параметра управления характеристиками и параметрами электронных компонент, а именно площади контактных областей, за счет перехода от планарной к трехмерной модели построения электронных компонент. Наиболее существенное повышение эффективности (увеличение коэффициента полезного действия, уменьшение внутреннего сопротивления и т.д.) ожидается в результате применения матричных систем на основе сферических многослойных компонент электронной схемы для создания оптоэлектронных и фотопреобразующих устройств.
Поставленная задача решается тем, что сферический многослойный компонент электронной схемы характеризуется наличием ядра размером от 5 нм до 100 мкм органической или неорганической природы с нанесенными на него наноразмерными слоями из материала с различными электрическими свойствами - удельным сопротивлением и типом проводимости, при этом каждый слой имеет проводящее покрытие с отдельным изолированным выводом, проводящие покрытия, расположенные между соседними слоями, выполнены перфорированными.
Вывод выполнен в виде углеродных нанотрубок. Поверхность нанотрубки покрыта диэлектрическим покрытием, а внутри трубка содержит неорганические наночастицы.
В качестве материала ядра может быть выбран любой материал органической или неорганической природы, нерастворимый в среде, из которой будет происходить процесс адсорбции слоев, например полимер (полистирол, полиамид), диоксид кремния или карбонат кальция.
Ядро может содержать добавки из наночастиц магнетита или другого магнитного материала.
При использовании в качестве транзистора компонент может содержать три слоя из материалов с полупроводниковыми свойствами, различающиеся типом проводимости (n и p-типа).
При использовании в качестве тиристора компонент содержит четыре слоя из материала с полупроводниковыми свойствами, различающиеся типом проводимости (n и p). При этом слои с разным типом проводимости чередуются.
При использовании двух слоев, различающихся типом проводимости, формируется диод.
Если компонент содержит один слой, выполненный из диэлектрика, при этом ядро имеет проводящее покрытие, он представляет собой конденсатор.
Резистор на основе предлагаемого решения содержит слой с заданным удельным сопротивлением, расположенный между двумя проводящими покрытиями.
По сути, решение обеспечивает переход от планарного подхода для создания электронных компонент к их трехмерному исполнению, причем в отличие от других аналогов 3D электронных компонент и интегральных схем использует сферическую форму для исполнения дискретных элементов. Возможность реализации технологического исполнения данных систем непосредственно связана с развитием материаловедения и приборостроения в рамках современных нанотехнологий, а именно результатам исследования физических свойств углеродных нанотрубок, полимерных полупроводников и проводников и успехам сканирующей зондовой микроскопии.
Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг.1-4 изображены одновременно и схемы последовательного формирования элементов, и их разновидности.
Фиг.1 - основа для получения электронных компонент, которая представляет собой ядро 2 с проводящем покрытием 3 и присоединенной углеродной трубкой 1.
При последующем нанесении слоя 4 и следующего проводящего покрытия 5, но в отличие от слоя 3 перфорированного (аналог сетки в вакуумном триоде) с присоединенной трубкой в качестве второго контакта, получаем структуру, изображенную на фиг.2 (однослойная структура). В зависимости от электрических свойств слоя 4 можно получить дискретный функциональный элемент - сопротивление, термосопротивление или фотосопротивление (слои 4 - полупроводник, или проводник) и конденсатор (слой 4 - диэлектрик). Полученная структура может быть также использована для построения последующих более сложных систем: двухслойных - фиг.3 (диодные структуры, включая фотодиоды, светодиоды); трехслойных - фиг.4 (транзисторы) и многослойных (переключающие элементы). В частности, двухслойный элемент, изображенный на фиг.3, содержит полупроводниковые слои 6 и 7, различающиеся типом проводимости. Принцип работы перечисленных выше устройств является аналогичным традиционным полупроводниковым структурам и могут быть созданы в случае трехслойных систем (фиг.4) аналоги как биполярных, так и полевых транзисторов. На основе фиг.1-4 можно проиллюстрировать схему изготовления сферического многослойного компонента электрической схемы (СМКЭС) (на схеме в качестве компонента представлен транзистор). Для создания СМКЭС необходимо использовать сканирующий атомно-силовой микроскоп, совмещенный с конфокальным оптическим микроскопом (например, Интегра-спектра фирмы НТ-МДТ [www.ntmdt.ru]).
I этап изготовления заключается в закреплении углеродной нанотрубки к кантеливеру атомно-силового микроскопа. Предполагается использование углеродной нанотрубки с диэлектрическим покрытием. Трубка закрепляется таким образом, чтобы продольная ось трубки была ориентирована перпендикулярно оси балки кантиливера сканирующего зондового микроскопа. Особенностью покрытия трубки является то, что на свободный конец трубки адсорбирован слой полиэлектролита анионного или катионного типа, который при погружении в водную среду приобретает заряд. Далее углеродная нанотрубка опускается в суспензию ядер органической и неорганической природы. Например, в качестве ядра может выступать полистирольное ядро с магнетитом, ядра такого типа произодятся фирмой Microparticles GmbH [www.microparticles.de]. Наличие наночастиц магнетита в ядре может существенно упростить многие технологические операции по получению СМКЭС и электронных схем на основе СМКЭС. Поверхность ядер покрыта слоем полиэлектролита, заряд которого противоположен заряду покрытия углеродных нанотрубок, т.е. используется принцип полиионной сборки (Decher G. // Science, 1997, 277, 1232-1237, G.В.Sukhorukov, E.Donath, S.Davis, H.Lichtenfeld, F.Caruso, V.I.Popov, H.Möhwald // Polym. Adv. Technol., 1998, 9, 759-767), который может быть реализован и в автоматическом режиме (Губский А.С., Портнов С.А., Горин Д.А. Автоматизированная установка для получения наноразмерных покрытий методом полиионной сборки, патент РФ на полезную модель №52657, МПК H01L 21/00), и имеет достаточно высокую электропроводность, поэтому для данного покрытия следует использовать проводящие полимеры, например полипирол, полианилин. Альтернативным методом получения проводящих покрытий является адсорбция золотых наночастиц с возможностью проведения процесса фотолитографии (Cho J., Jang H., Yeom В., Kim H., Kim R., Kim S., Char K., F.Caruso // Langmuir. 2006. V.2. P.1356-1364). За счет кулоновского взаимодействия происходит сорбция ядер на обработанную полиэлектролитом часть трубки. В результате данных операций получаем структуру, изображенную на фиг.1. Методики, описанные в работах (О.А.Иноземцева, С.А.Портнов, Т.А.Колесникова, Д.А.Горин Формирование и физико-химические свойства полиэлектролитных нанокомпозитных капсул // Российские нанотехнологии, 2007, Т.2, №9-10, С.68-80, D.A.Gorin, S.A.Portnov, O.A.Inozemtseva, Z.Luklinska, A.M.Yashchenok, A.M.Pavlov, A.G.Skirtach, H.Möhwald, G.B.Sukhorukov "Magnetic/gold nanoparticle functionalized biocompatible microcapsules with sensitivity to laser irradiation" // Phys. Chem. Chem. Phys., 2008, 10, 6899-6905, D.V.Andreeva, D.A.Gorin, H.Möhwatd, G.B.Sukhorukov, "Novel Type of Self-Assembled Polyamide and Polyimide Nanoengineered Shells - Fabrication of Microcontainers with Shielding Properties" // Langmuir, 23, p.9031-9036 (2007)) позволяют реализовать структуру, изображенную на фиг.1.
II этап СМКЭС заключается в погружении данной системы (полученной в результате операции I) в раствор органических молекул полимерного полупроводника n-типа. После завершения сорбции молекул полимера на сферическую часть системы образуется соответственно слой с проводимостью n-типа, далее сферическая часть системы опускается в раствор с молекулами проводящего полимера и наносится проводящее покрытие. В отличие от первого проводящего покрытия ядра данное проводящее покрытие должно быть перфорированным (это может реализовывается посредством фотолитографии (Cho J., Jang H., Yeom В., Kim H., Kim R., Kim S., Char К., F.Caruso // Langmuir. 2006. V.2. P.1356-1364) либо при помощи внешнего электрического поля средствами нанолаборатории Интегра-спектра www.ntmdt.ru). Указанная сферическая система далее погружается в раствор с углеродными нанотрубками, где происходит селективная адсорбция одной нанотрубки, ориентированный радиально к поверхности сферы, таким образом мы получаем структуру, изображенную на фиг.2. Аналогичным образом получаются двухслойные (фиг.3) и трехслойные структуры (фиг.4).
В последующем с помощью внешних полей, например магнитных, можно ориентировать созданные СМКЭС на гибкой, диэлектрической и прозрачной в необходимом диапазоне длин волн подложке и далее с помощью установки Интегра-спектра или ее аналога сварить углеродные трубки - контакты излучением лазера между собой, получив тем самым матричную схему-аналог интегральных схем (фиг.5). После операции разварки контактов пленка с СМКЭС покрывается сверху второй гибкой пленкой для герметизации и защиты, таким образом получаем функциональное устройство, например фотоэлектрический преобразователь или устройство отображения или обработки информации. Другим вариантом создания матричных систем на основе СМКЭС является их сборка в веществе в жидком состоянии с возможностью последующей полимеризации вещества. При этом осуществляется переход из жидкого в твердое состояние.