Наноэлектронику ждет глобальное потепление

Выступление 21-летнего Андрея Шевырина, посвященное созданию одноэлектронного транзистора, работающего при температурах, приближенных к комнатной, оказалось лучшим на секции среди докладов многих других научных сотрудников и аспирантов.

В обычных полевых транзисторах, широко использующихся в электронике, переключение из открытого состояния в закрытое сопровождается перемещением сотен электронов, на что затрачивается значительная энергия. А поскольку количество таких транзисторов в современных интегральных микросхемах огромно, то актуальна задача сокращения энергетиче­ских затрат.

В стандартном одноэлектронном транзисторе для переключения достаточно переместить на квантовую точку всего один электрон (отсюда и название), поэтому перспективы его использования заманчивы. Но есть одно «но»: обычно такой транзистор может работать только при очень низких температурах (ниже температуры жидкого гелия 4,2 K).

Максимальная рабочая температура транзистора обратно пропорциональна емкости квантовой точки, которая определяется ее размером: чем меньше точка, тем выше предельная рабочая температура. Чтобы транзистор мог работать при комнатной температуре

(300 K), размер квантовой точки должен лежать в пределах 10 нм. Сделать электронный проводник такого размера с помошью современных технологий возможно, но при этом практически нереально обеспечить разветвленную геометрию транзистора для подведения к нему необходимого количества затворов, управляющих потенциалом квантовой точки и прозрачностью туннельных барьеров.

– Мы обратили внимание на то, что емкость квантовой точки определяется не только ее размерами, но и диэлектрической проницаемостью окружающего материала, – объясняет научный руководитель Андрея, д. ф.-м. н. Артур Погосов из лаборатории неравновес­ных полупроводниковых систем Института физики полупроводников СО РАН. – Так что, если «оторвать» транзистор от высокодиэлектричной подложки, можно ограничиться размером 100 нм вместо 10 нм.

– Это обнаружилось почти случайно, при исследовании совершенно другого явления в ходе экспериментов, проводимых совместно со старшим научным сотрудником нашего института Максимом Буданцевым, – рассказывает Андрей Шевырин. – Позже, при анализе экспериментальных результатов, нас удивило, что такой, казалось бы, очевидный факт никто не предсказал теоретически. Впрочем, так происходит нередко: сначала эффект обнаруживает себя экспериментально, а потом он подтверждается расчетами. Аналогичные эксперименты параллельно с нами проводила группа ученых из Германии под руководством профессора Коттхауза, но идея о том, что «отрывая» транзистор от подложки, можно повысить его рабочую температуру, к ним не пришла.

Максимальная рабочая температура такого «подвешенного» транзистора, которой исследователям удалось достичь на сегодня, 150 K при размере квантовой точки 200 нм. В планах – оторвать квантовую точку (увеличить зазор) от подложки так, чтобы транзистор заработал при комнатной температуре. Данный этап требует выработки инженерного решения, оптимизированного по температуре, размеру квантовой точки и степени ее отрыва от подложки. В случае успеха этот шаг серьезно приблизит технологию к возможности практического использования.

Самого же Андрея и его научного руководителя интересуют уже другие эффекты, которые может демонстрировать «освобожденый» от подложки нанотранзистор, в частности его механические колебания. На основе такого колеблющегося транзистора можно, например, создавать прецизионные источники тока. Подобные подвижные электрические наносистемы в мире еще только начинают изучать.