Mikroelektronika a nanoelektronika v kostce

Mikroelektronika je již po pět desetiletí rozhodující oblastí elektroniky. Je spojena s vytvářením elektronických systémů malých rozměrů (integrovaných obvodů) s velkou funkční schopností, vysokou spolehlivostí, malou spotřebou energie a nízkou cenou. Na jejím vzniku a vývoji se výrazně projevilo a projevuje úsilí vedoucí ke zmenšování rozměrů, hmotnosti a spotřebovaného výkonu (ruku v ruce s digitalizací elektronických systémů) a sám rychlý rozvoj mikroelektroniky je výsledkem synergie mezi rozhodujícími faktory technologického a materiálového výzkumu, vývoje elektronických systémů, vývoje jejich aplikací a dostatkem finančních zdrojů.

Rostoucí integrace systémů (SoC = System on chip) v mikroelektronice je klíčem k realizaci moderních výrobků a současně zdrojem potřebných inovací. Trvalý tlak na další miniaturizaci mikroelektronických součástek umožňuje vznik nových technologických postupů, zejména v oblasti výroby a montáže (SiP = System in package).

Již běžné jsou mikroelektromechanické integrované systémy (MEMS) s aplikacemi jako mikrosenzory, mikroaktuátory, inteligentní mikrosystémy (Smart Microsystems), mikrooptické systémy (např. pole řízených mikrozrcátek) a mikrofluidické systémy (např. Lab on chip).

Integrované obvody se svými rozměry dostávají do oblasti nanostruktur a technologie do oblasti nanotechnologií. Hlavní zvláštností však tady není obyčejné mechanické zmenšování rozměrů, ale to, že u prvků takové velikosti začínají převažovat kvantové efekty, jejichž využití může být velmi perspektivní. Aktuální trendy současných polovodičových nanotechnologií se týkají:

1. vlastních integrovaných struktur a jejich zmenšování (nanostruktury) a jejich vazby na fotonické a spinotronické aplikace,
2. b) technologických procesů a příslušných technologických zařízení,
3. c) ceny (ekonomie) a spolehlivosti výroby.

Pojem nanoelektronika se začal používat v 80. letech v souvislosti s možností realizovat polovodičové struktury s rozměry v submikrometrové oblasti. V polovodičovém průmyslu se za hranici mezi mikroelektronikou a nanoelektronikou považuje rozměr 100 nm. Fyzikálně opodstatněnou rozměrovou hranicí by však měla být až hodnota kolem 4 nm jako maximální síla tenké vrstvy (energetické bariéry), při které se uplatňuje přímé tunelování nosičů elektrického náboje (obr. 1). Hranice mezi makrosystémy a mikrosystémy je dána růzností technologických procesů, hranice mezi mikrosystémy a nanosystémy je kvantově- mechanická. Protože inženýři a přírodovědci (fyzikové a chemici) pracují různými metodami, vytváří nové objekty, nebo naopak zkoumají objekty, které vytvořila příroda, vidí z praktických důvodů hranici nanosvěta posunutou.

Obr. 1 Definice makrosystému, mikrosystému a nanosystému
z hlediska velikosti struktury, energiového spektra elektronů a charakteru fyzikálních jevů

Dosavadní mikroelektronické struktury CMOS s rozměrem pod 100 nm jsou vyráběny pokročilými litografickými technikami (top-down), případně s nelitografickým formováním oblasti kanálu (2D nebo 2,5 D). Nanotechnologie se historicky vyvíjely převážně mimo oblast elektroniky (především využití relativně velkého povrchu oproti objemu). V posledních letech došlo k výraznému pokroku i v nanoelektronice, ale vyjma kvantových teček pro optoelektronické součástky, jsou aplikace prozatím na laboratorní úrovni. Jedná se zejména o výzkum (přípravu a charakterizaci) 2D, 1D i 0D nanostruktur připravovaných litografickými (top-down) a samouspořádajícími se (bottom-up) metodami. Konkrétně jsou zkoumány kovové a magnetické nanostruktury, oxidové supravodiče a magnetika a z polovodičových nanostruktur uhlíkové nanotrubice i perspektivní uhlíkové a cínové grafeny.

Již po dlouhá léta se počet tranzistorů na čipu (jmenovitě kapacita pamětí RAM) zvětšuje čtyřnásobně přibližně každé tři roky (v literatuře se hovoří o tzv. Moorově zákoně), tedy roste exponenciálně s časem se základem čísla 2 (složitost čipů má index růstu 4× za 3 roky), pomaleji potom roste plocha čipu (index růstu 1,5× za 3 roky) a klesá minimální rozměr struktury (index růstu 0,5× za 3 roky). S nástupem nanostruktur se situace charakterizuje slovními hříčkami More than Moore (nanotechnologie umožní rychlejší integraci) a Beyond Moore (situace, kdy přestane platit původní Mooreův zákon).

Zkoumané nanostruktury se již dostávají ke svým limitům (podle současného stavu poznání), jmenovitě jde o:

• principiální fyzikální limity (energie tepelného pohybu nosičů, kvantově-mechanické principy),
• materiálové limity (výběr vhodného materiálu),
• chemické limity (dlouhodobá stabilita struktur, difúze při nízkých teplotách, elektromigrace),
• limity struktur (minimální geometrické rozměry, limit délky kanál tranzistoru, limit délky spojů),
• obvodové limity (napájecí napětí a elektrický příkon),
• systémové limity (optimální funkční a obvodová struktura),
• technologické a ekonomické limity (technologická úroveň a hlavně ekonomické aspekty - rovnováha mezi výrobními náklady a užitnými vlastnostmi).

Návrh a výroba mikroelektronických a nanoelektronických obvodů bude stále složitější. Současné a připravované technologie představují řadu alternativ a řešení ještě na řadu let. Díky stálému růstu trhu informačních technologií a růstu trhu s polovodičovými součástkami budou nové technologie a struktury nacházet aplikace.

Finanční nákladnost nových technologií vede k prodlužování životního cyklu polovodičových technologií, ke snaze využít technickou životnost výrobních linek (na rozdíl od dříve dominantní snahy co nejdříve přejít na novou technologii, na struktury s kratší délkou kanálu). Na nově zaváděné nanotechnologie a nanostruktury je kromě potřebných parametrů (stálost při procesních teplotách a potřebné elektrické vlastnosti) kladen zejména požadavek nízké ceny a možnost nasazení se současnými výrobními technologiemi. Už jen z finančních důvodů není možné pro každý nový „vhodný“ materiál nebo strukturu měnit stávající výrobní postupy (technologický konzervativismus) a takové technologie zatím nemají velkou šanci se komerčně prosadit, zejména pokud bude existovat jiná varianta/alternativa, která udržuje potřebný pokrok ve výrobě a dostatečnou konkurenceschopnost.