Наноэлектроника. Состояние и перспективы развития

А.Н. Игнатов

НАНОЭЛЕКТРОНИКА
Состояние и перспективы

развития

Учебное пособие

Москва

Издательство «ФЛИНТА»

2017

2-е издание, стереотипное

УДК 621.396.4:681.33(075.8)
ББК 32.85я73
        И26

Рецензенты:

доц. МТУСИ Копылов А.М.

доц. НГТУ Серых В.И. 

        Игнатов А.Н.

    Наноэлектроника. Состояние и перспективы развития [Электронный        
ресурс] : учеб. пособие / А.Н. Игнатов. — 2-е изд., стер. — М. : 
ФЛИНТА, 2017. — 360 с. 

ISBN 978-5-9765-1619-9

В 
книге 
рассматриваются 
тенденции 
развития 
микро- 
и 
наноэлектроники, концепции и проблемы формирования национальной 
нанотехнологической сети Российской Федерации, состояние и перспективы 
развития электронной промышленности, виды нанотехнологий и перспективы 
производства 
нано-электронных 
изделий. 
Рассмотрены 
наноизделия 
пригодные для внедрения в инфокоммуникационных системах, состояние и 
перспективы 
развития 
микро- 
и 
наноэлектромеханических 
систем, 
медицинские и биологические аспекты производства нано-продукции, 
состояние и проблемы подготовки кадров для направления «Нанотехнологии». Книга содержит много полезной справочной информации для 
студентов, магистрантов, аспирантов, а также преподавателей и инженернотехнических работников, связанных с разработкой и использованием 
аппаратуры, выполненной на основе опто-, микро- и наноэлектронной 
элементных баз, а также на специалистов, работающих в области 
телекоммуникаций, наноэлектроники и оптоэлектроники. 

Для 
студентов 
направления 
210400 
«Телекоммуникации», 
специальностей 210601 «Нанотехнология в электронике», 210401 «Физика и 
техника оптической связи». 

И26

УДК 621.396.4:681.33(075.8)
ББК  32.85я73

ISBN 978-5-9765-1619-9
©   Издательство «ФЛИНТА», 2017

ОГЛАВЛЕНИЕ 

ВВЕДЕНИЕ . ....................................................................................................................................... 7
ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ НАНООБЪЕКТОВ ..................... 9 
1.1. Общие сведения ....................................................................................................................... 9 
1.2. Классификация нанообъектов .............................................................................................. 11 
1.3. Наночастицы и наносистемы ................................................................................................ 15 
1.4. Основные термины индустрии наносистем ........................................................................ 16 
ГЛАВА 2. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ НАНОТЕХНОЛОГИЙ ......................................................... 19 
2.1. Общие сведения ..................................................................................................................... 19 
2.2. Краткая история нанотехнологий ........................................................................................ 20 
ГЛАВА 3. ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ МИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ ............................. 22 
3.1. Общие сведения ..................................................................................................................... 22 
3.2. Закон Мура ............................................................................................................................. 22 
3.3. Основные тенденции развития микро- и наноэлектронных систем ................................. 24 
    3.3.1. Общие сведения…………………………………………………………………………..24 
   3.4. Перспективы развития модульных систем систем ............................................................. 25 
3.4.1. История развития ................................................................................................................. 25 
3.4.2. Виды модульных систем ..................................................................................................... 29 
3.4.3. Автоматизация проектирования и производства СБИС и модульных систем .............. 31 
3.4.4. Нанотехнологии будущих электронных систем ............................................................... 37 
3.4.5. Перспективы развития навигационных систем ................................................................ 40 
3.5. Перспективы развития цифрового телевидения ................................................................. 46 
3.6. Перспективы развития дисплеев и осветительной техники .............................................. 51 
3.7. Состояние и проблемы внедрения электронных технологий ........................................... 55 
3.8. Формирование современной инфраструктуры проектирования СБИС «система на                   
       кристалле» .............................................................................................................................. 59 
3.9. Создание технико-внедренческой зоны наукоемкого производства ................................ 65 
3.10. Форсайт в области нанотехнологий ................................................................................... 68 
3.11. Дорожные карты и их применение .................................................................................... 70 
3.11.1. Прогноз инновационного развития в Японии................................................................. 72 
3.11.2. «Глобальная технологическая революция» (Корпорация RAND, США) .................... 73 
3.11.3. Метод дорожных карт и его применение в практике форсайт-исследований ............. 74 
3.11.4. Разработка технологических дорожных карт ................................................................. 75 
3.11.5. Международная технологическая карта ITRS ................................................................ 78 
3.11.6. Технологическая дорожная карта для производственных наносистем. Институт                                        
            Форсайта в области нанотехнологий, США ................................................................... 78 
3.11.7. Дорожные карты развития наноиндустрии в России ..................................................... 80 
3.11.8. Примеры технологических дорожных карт .................................................................... 82 
3.12. Итоги работы радиоэлектронной промышленности в 2008 году и основные задачи          
         на 2009 год ............................................................................................................................ 83 
3.12.1. Общие сведения ................................................................................................................. 83 
3.12.2. Основные показатели развития РЭП ............................................................................... 83 
3.12.3. Научно-техническая политика РЭП ................................................................................. 84 
3.12.4. Инвестиционная политика РЭП ....................................................................................... 87 
3.12.5. Внешнеэкономическая деятельность ............................................................................... 88 
3.12.6. Политика РЭП на отечественных рынках ....................................................................... 90 
3.12.7. Меры по снижению негативных последствий для предприятий РЭП                                 
            экономического кризиса ................................................................................................... 90 
3.12.8. Кадровая политика ............................................................................................................ 92 
3.12.9. Основные проблемы и задачи РЭП .................................................................................. 93 
ГЛАВА 4. КОНЦЕПЦИЯ И ПРОБЛЕМЫ ФОРМИРОВАНИЯ НАЦИОНАЛЬНОЙ 

НАНОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СЕТИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ......................................95

4.1. Состояние и перспективы развития наноиндустрии в Российской Федерации..............95
4.2. Цель реализации Концепции развития................................................................................96
4.3. Состав и основные направления деятельности национальной и нанотехнологической 
сети (ННС).....................................................................................................................................97
4.4. Задачи, решаемые в рамках Концепции..............................................................................99
4.4.1 Исследовательско-технологическая основа (ИТО).........................................................100
4.4.2. Научно-образовательная и кадровая основа...................................................................100
4.4.3. Информационно-коммуникационная основа..................................................................101
4.4.4. Организационная основа...................................................................................................102
4.4.5. Правовая основа.................................................................................................................103
4.5. Программно-целевое развитие наноиндустрии в России................................................103
4.6. Корпорация «РОСНАНОТЕХ»...........................................................................................105

ГЛАВА 5. ВОЕННО-ПОЛИТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ СОЗДАНИЯ НАНОПРОДУКЦИИ И 
СИСТЕМ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ ...........................................................................109

5.1. Общие сведения...................................................................................................................109
5.2. Наноугрозы и риски ............................................................................................................110
5.3. Роль наноиндустрии в обеспечении национальной безопасности .................................111
5.4. Реализованные проекты специального назначения с использованием 

нанотехнологий....................................................................................................................112

5.5. Перспективные проекты специального назначения с использованием                      

нанотехнологий………………............................................................................................114

5.5.1. Проект «Умная пыль».......................................................................................................115

ГЛАВА 6. СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ......................................................118
ЭЛЕКТРОННОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ ..................................................................................118

6.1. Общие сведения...................................................................................................................118
6.2. Полупроводниковые приборы............................................................................................118
6.3. Персональные компьютеры................................................................................................119
6.4. Электронная промышленность в средствах связи............................................................120
6.5. Современное состояние электронной промышленности.................................................120
6.5.1. Мировые лидеры по производству электронной продукции ........................................121
6.5.2. Состояние электронной промышленности в России .....................................................122
6.5.3. Признаки возрождения электронной промышленности в России................................125
6.5.4. Перспективы развития электронной промышленности в России.................................127

ГЛАВА 7. ВИДЫ НАНОТЕХНОЛОГИЙ И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРОИЗВОДСТВА 
НАНОЭЛЕКТРОННЫХ ИЗДЕЛИЙ ............................................................................................129

7.1. Общие сведения...................................................................................................................129
7.2 Основы кремниевой технологии.........................................................................................130
7.2.1. Кристалическое строение и зонная структура полупроводников ................................130
7.2.2. Понятие о групповом методе изготовления электронных приборов ...........................133
7.2.3. Планарная технология.......................................................................................................134
7.2.4. Пленочная и гибридная технология.................................................................................134
7.2.5. Полупроводниковая технология ......................................................................................136
7.2.6. Переход к кремниевой нанотехнологии..........................................................................139
7.3. Общие сведения об углеродной нанотехнологии.............................................................144
7.4. Основные материалы углеродной нанотехнологии .........................................................145
7.4.1. Углеродные нанотрубки ...................................................................................................145
7.4.2. Фуллерены..........................................................................................................................146
7.4.3. Графен.................................................................................................................................147
7.5. Продукты углеродной нанотехнологии.............................................................................147
7.6. Органические нанотехнологии...........................................................................................148
7.6.1. Жидкие кристаллы.............................................................................................................148

7.6.2. OLED технология.. ............................................................................................................158
7.6.3. Состояние разработок OLED............................................................................................163
7.7. Квантовая нанотехнология .................................................................................................164
7.7.1. Общие сведения.................................................................................................................164
7.7.2. Разработки в области квантовых компьютеров..............................................................166
7.7.3. Разработки в области квантовой криптографии.............................................................176
7.8. Молекулярная нанотенология ............................................................................................178
7.8.1. Введение в молекулярную технологию...........................................................................178
7.8.2. История концепции молекулярной нанотехнологии .....................................................182
7.8.3. Оценки ожидаемых параметровмолекулярных наномеханических устройств...........183
7.8.4. Стратегии реализации молекулярной нанотехнологии .................................................186
7.8.5. Молекулярный транзистор ..............................................................................................188
7.8.6. Одноэлектронный транзистор..........................................................................................189

ГЛАВА 8. НАНОЭЛЕКТРОННЫЕ ИЗДЕЛИЯ ДЛЯ ИНФОКОММУНИКАЦИОННЫХ
СИСТЕМ………………………………………….………………………………………………191

8.1. Общие сведения...................................................................................................................191
8.2. Конденсаторы для наноэлектронных систем....................................................................192
8.3. Источники электроэнергии для наноэлектронных систем..............................................197
8.3.1. Способы получения электроэнергии ...............................................................................201
8.3.2. История химических источников тока ............................................................................202
8.3.3. Основные типы аккумуляторов для мобильных устройств ..........................................208
8.3.4. Состояние и перспективы развития производства химических источников тока ......210
8.3.5. Тенденции развития сегмента вторичных систем до 2010 года ...................................215
8.3.6. Производители перспективных типов химических источников...................................218
8.4. Наноэлектронные транзисторы..........................................................................................219
8.4.1. Наноэлектронные транзисторы на основе структур хранения на сапфире .................222
8.4.2. Нанотранзисторы с гетеропереходами............................................................................228
8.5. Наноэлектронные переключатели и ячейки памяти.......................................................233
8.5.1. Квантово-точечные клеточные автоматы .......................................................................233
8.5.2. Молекулярные переключатели ........................................................................................235
8.5.3. Перспективы использования нанотехнологий при изготовлении устройств

хранения информации.......................................................................................................237

8.6. Наноэлектронные лазеры....................................................................................................239
8.6.1. Наноэлектронные лазеры с горизонтальными резонаторами .......................................239
8.6.2. Наноэлектронные лазеры с вертикальными резонаторами...........................................242
8.6.3. Оптические модуляторы...................................................................................................249
8.7. Дисплеи и осветительные приборы с использованием наноматериалов.......................251
8.7.1. Дисплеи и осветительные приборы на основе нанотрубок...........................................251
8.7.2. Перспективы создания дисплеев невидимок ..................................................................253
8.8. Фотоприемные наноэлектронные устройства и системы................................................254
8.8.1. Фотоприемники на квантовых ямах ................................................................................254
8.8.2. Фотоприемники на основе квантовых точек ..................................................................257
8.9. Устройства и системы хранения информаци....................................................................262
8.9.1. Виды запоминающих устройств ......................................................................................262
8.9.2. Элементы памяти...............................................................................................................264
8.9.3. Фотоприемные ПЗС...........................................................................................................265
8.9.4. КМОП-фотодиодные СБИС и их применение ...............................................................267
8.10. Наноэлектронные изделия для компьютерных систем..................................................270
8.10.1. Однокристальные системы.............................................................................................270
8.10.2. Системы для компьютеров .............................................................................................272
8.11. Перспективы разработок квантовых информационных систем ...................................278
8.12. Наноэлектронные системы для беспроводной связи .....................................................284

8.13. Перспективы разработок наноэлектронных систем.......................................................285

ГЛАВА 9. СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ МИКРО- И 
НАНОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ.........................................................................292

9.1. Общие сведения .................................................................................................................292
9.2. Области применения МЭМС и НЭМС..............................................................................292
9.3. Состояние и перспективы разработок МЭМС и НЭМС..................................................298

ГЛАВА 10. МЕДИЦИНСКИЕ И БИОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРОИЗВОДСТВА 
НАНОПРОДУКЦИИ .....................................................................................................................305

10.1. Нанориски – новые угрозы для здоровья и окружающей среды ..................................305
10.1.1. Новая категория рисков ..................................................................................................305
10.2. Европейские инициативы в области оценки нанорисков ..............................................306
10.3. Руководства по безопасному обращению с наночастицами и наноматериалами.......307
10.3.1. Стандарт корпорации DuPont для оценки нанорисков................................................310
10.3.2. Стандарты как ответ на угрозы, связанные с нанорисками ........................................312
10.4. Рекомендации по исследованию токсичности наночастиц в лабораторных 

условиях..............................................................................................................................313

10.5. Материалы и оборудование, используемые при определении острой токсичности

наночастиц..........................................................................................................................315

10.6. Перспективы разработки медицинских нанороботов....................................................318
10.7. Проблемы безопасности....................................................................................................321

ГЛАВА 11. НАНОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ................................................322

11.1. «НаноФаб-100» – платформа для наноэлектроники ......................................................322
11.2. Установка эпитаксильного наращивания слоев для индивидуальной обработки

подложек большого диаметра ..........................................................................................322

11.3. Новейшие разработки НИИ точного машиностроения. Комплект вакуумных          

установок для научных исследований и отработки технологических  
процессов наноэлектроники.
323

11.4. Новое поколение установок молекулярно–лучевой эпитаксии....................................324
11.5. Оборудование для наноструктурного анализа материалов и покрытий......................325
11.6. Нанотехнологический комплекс оборудования NanoEducator .....................................326
11.6.1. Устройство и принцип работы.......................................................................................327
11.6.2. Конструкция СЗМ NanoEducator....................................................................................329
11.6.3. Техническая спецификация прибора.............................................................................332
11.6.4. Режимы работы................................................................................................................332
11.6.5. Дополнительные приложения NanoEducator ................................................................333

ГЛАВА 12. ПОДГОТОВКА КАДРОВ ДЛЯ НАПРАВЛЕНИЯ «НАНОТЕХНОЛОГИЯ».....336

12.1. Материально-техническая база кадровой инфраструктуры наноиндустрии .............336
12.1.1. Научно-образовательные центры..................................................................................337
12.1.2. Центры коллективного пользования.............................................................................340
12.1.3. Кафедры и лаборатории..................................................................................................342
12.2. Целевые индикаторы выполнения задач программы развития (по итогам 

выполнения программы развития к 2010 г.) ..................................................................345

12.3. Перечень вузов, ведущих подготовку по специальности «Нанотехнология в 

электронике»......................................................................................................................347

Список цитированной литературы...............................................................................................348
Перечень принятых сокращений……..……………………………………………………….….358

ВВЕДЕНИЕ

Научно-технический прогресс однозначно связан с развитием нанотехно
логий. Уже с 2003 г. нанотехнологии обеспечивают плавный переход от микроэлектроники к наноэлектронике – основе информационных технологий 21 века. 
В 2003 г. элитные вузы Российской Федерации начали подготовку специалистов в области нанотехнологий и наноэлектроники.

Тогда было сформулировано новое направление подготовки инженеров 

210600 «Нанотехнология». В рамках этого направления выделено две специальности: 210601 «Нанотехнология в электронике» и 210602 «Наноматериалы». 
Ведется разработка ГОС ВПО по специальности «Электроника и наноэлектроника». В настоящее время специальность «Нанотехнология в электронике» 
предусмотрена в направлении 210400 «Телекоммуникации». Кроме инженерной подготовки ведется подготовка бакалавров и магистров.

Фирмы, внедряющие нанотехнологии, с 2003 г. приступили к серийному 

выпуску электронных наноизделий: микропроцессорных интегральных схем 
(ИС) с ультравысокой и гигантской степенью интеграции, мобильных систем 
нового поколения, широкоформатных дисплеев, цифровой видеотехники и др.

Специалисты, получившие степень бакалавра по направлению 210600 

«Нанотехнология» имеют возможность дальнейшего обучения по следующим
направлениям магистратуры:
•
554500 «Нанотехнология»;

•
550700 «Электроника и микроэлектроника»;

•
553100 «Техническая физика»;

•
210601 «Нанотехнология в электронике»;

•
210100 «Электроника и наноэлектроника».

Подготовке магистров по перспективным направлениям наноэлектроники, 

представляющим значительный интерес для работодателей промышленных 
предприятий, должна предшествовать подготовка бакалавров.

Перспективность работы в области нанотехнологий и наноэлектроники 

обуславливает необходимость создания материально-технических баз кафедр, 
реализующих инновационные образовательные программы, создание научноучебных лабораторий «Наноэлектроники», «Химии и наноматериалов», учебнонаучных центров «Опто-, микро- и наноэлектроники».

Важной задачей является реализация системной подготовки студентов по 

блокам естественно-научных (химия и физика), общепрофессиональных (электроника, оптоэлектроника) и специальных (микросхемотехника, СВЧ-техника, 
наноэлектроника) дисциплин. 

Обширный справочный материал, обобщающий информацию более двух
сот научных и учебных публикаций, по мнению автора, будет полезен студентам, изучающим курсы «Введение в специальность нанотехнология в электронике», «Электроника», «Наноэлектроника», «Приборы СВЧ и оптического диапазона», «Устройства и системы оптической связи», «Оптоэлектроника и нанофотоника». Накопленный опыт постановки указанных дисциплин целесообразно учесть в учебных планах профильной подготовки студентов направления 
210400 «Телекоммуникации».

В данном учебном пособии приведен анализ состояния и перспектив развития микро- и наноэлектроники. Автор выражает благодарность Игнатовой 
А.С., Полянскому С.В., Ананьеву А.В. за помощь в подготовке книги к изданию. 

ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ

НАНООБЪЕКТОВ

1.1. Общие сведения

Энциклопедический словарь определяет технологию (от греческого 

«techne» – искусство, мастерство, умение + «logos» – наука) как совокупность 
методов обработки, изготовления, изменения состояния первоначального сырья 
в процессе производства конечной продукции

Нанотехнология – умение целенаправленно создавать объекты (с заранее 

заданными составом, размерами и структурой) в диапазоне менее 100 нм.

Нанонаука – совокупность знаний о свойствах вещества в нанометровом 

масштабе.

Наноэлектронные приборы, устройства и системы – изделия, содержащие 

элементы с размерами нанометрового диапазона (100 нм).

Нанообъекты существуют на Земле, сколько существует сама жизнь.
Моллюск морское ушко выращивает очень прочную, переливающуюся из
нутри раковину, склеивая прочные наночастички мела особой смесью белков с 
углеводами. Структуры, сформированные из наночастиц, могут быть намного 
прочнее материала однородного в объеме.

В четвертом веке нашей эры римские стекловары делали стекло, содержа
щее наночастицы металлов. Чаши царя Ликурга делались из натриевой извести, 
содержащей наночастицы серебра и золота. Цвет чаши менялся от зеленого до 
темно-красного, в зависимости от воздействия света.

Все природные материалы и системы построены из нанообъектов. Именно 

в интервале наноразмеров, на молекулярном уровне, природа «программирует» 
основные характеристики веществ, явлений и процессов. На рис. 1.1, а и б приведены «линейки» размеров природных объектов.

Нобелевский лауреат Херст Штормер высказался: «Нанотехнология дает 

нам средства... играть с самыми маленькими «кубиками природы» – атомами и 
молекулами, из которых построен весь мир. Сочетание уже известных нам методов «от большого к малому» с самосборкой на атомном уровне создает 
огромное поле возможностей для «игры в комбинаторику» с химическими и 
физическими свойствами при использовании специально полученных искусственных структур».

Профессор химии Джордж Уатсайд Гарвардского университета (1998 г.) 

сказал: «Используя наноустройства, вы можете изготовить запоминающее 
устройство с объемом памяти, эквивалентным тысяче компьютерных дискет и 
размером с наручные часы. В этом устройстве может храниться библиотека на 
всю жизнь... Идеи такого рода могут сильно изменить представления об образе 
жизни».

Под термином «нанотехнология» понимают создание и использование ма
териалов, устройств и систем, структура которых регулируется в нанометровом 
масштабе, т.е. в диапазоне размеров атомов, молекул и надмолекулярных образований.

а)

Размер, нм

б)

Рис. 1.1. Линейные размеры природных объектов

Нанотехнологический подход означает такое же, но целенаправленное, ре
гулирование свойств объектов на молекулярном уровне, определяющем фундаментальные параметры.

Фантастические перспективы, которые сулит изготовление материалов и 

устройств на атомном и молекулярном уровне, впервые раскрыл в 1959 г. Нобелевский лауреат по физике Ричард Фейнман. Он отметил необходимость создания нового класса рабочей и измерительной аппаратуры, требуемой для обращения со столь малыми наноразмерными объектами.