ナノエレクトロニクス

ナノエレクトロニクスとは、電子部品におけるナノテクノロジーの応用を指します。この用語は多様なデバイスと材料を網羅しますが、共通の特徴として、それらは非常に小さいため、原子間相互作用と量子力学的特性を広範囲に研究する必要があります。候補としては、ハイブリッド分子／半導体エレクトロニクス、一次元ナノチューブ／ナノワイヤ（例：カーボンナノチューブ、シリコンナノワイヤ）、先進分子エレクトロニクスなどが挙げられます。

ナノエレクトロニクスデバイスの臨界寸法は1 nmから100 nmの範囲である。[ 1 ]最近のシリコンMOSFET（金属酸化物半導体電界効果トランジスタ、またはMOSトランジスタ）技術世代は既にこの領域に入っており、22 nmのCMOS（相補型MOS）ノード、そしてそれに続く14 nm、10 nm、7 nmのFinFET（フィン電界効果トランジスタ）世代が含まれる。ナノエレクトロニクスは、現在の候補技術が従来のトランジスタとは大きく異なるため、破壊的技術と見なされることがある。

基本概念

In 1965, Gordon Moore observed that silicon transistors were undergoing a continual process of scaling downward, an observation which was later codified as Moore's law. Since his observation, transistor minimum feature sizes have decreased from 10 micrometers to the 10 nm range as of 2019. Note that the technology node doesn't directly represent the minimum feature size. The field of nanoelectronics aims to enable the continued realization of this law by using new methods and materials to build electronic devices with feature sizes on the nanoscale.

Mechanical issues

The volume of an object decreases as the third power of its linear dimensions, but the surface area only decreases as its second power. This somewhat subtle and unavoidable principle has significant ramifications. For example, the power of a drill (or any other machine) is proportional to the volume, while the friction of the drill's bearings and gears is proportional to their surface area. For a normal-sized drill, the power of the device is enough to handily overcome any friction. However, scaling its length down by a factor of 1000, for example, decreases its power by 10003 (a factor of a billion) while reducing the friction by only 10002 (a factor of only a million). Proportionally it has 1000 times less power per unit friction than the original drill. If the original friction-to-power ratio was, say, 1%, that implies the smaller drill will have 10 times as much friction as power; the drill is useless.

このため、超小型電子集積回路は完全に機能しますが、摩擦力が利用可能な電力を超え始めるスケールを超えた機械装置を作るために同じ技術を使用することはできません。そのため、精巧にエッチングされたシリコン歯車の顕微鏡写真を見ることがあるかもしれませんが、そのような装置は現状では珍品に過ぎず、現実世界での応用は限定的であり、例えば可動ミラーやシャッターなどに限られています。[ 2 ] 表面張力もほぼ同様に増加し、非常に小さな物体がくっつく傾向が強まります。これは、あらゆる種類の「マイクロファクトリー」を非実用的にする可能性があります。たとえロボットアームやロボットハンドを小型化できたとしても、それらが持ち上げたものは置くことができない可能性が高いでしょう。とはいえ、分子進化により、繊毛、鞭毛、筋繊維、回転モーターが水中で動作できるようになりました。これらはすべてナノスケールです。これらの機械は、マイクロスケールまたはナノスケールで見られる摩擦力の増加を利用しています。パドルやプロペラが推進力を得るために通常の摩擦力（表面に対して垂直な摩擦力）に依存するのとは異なり、繊毛はマイクロおよびナノスケールに存在する過剰な抗力または層流力（表面に対して平行な摩擦力）によって運動を生み出します。ナノスケールで意味のある「機械」を構築するには、関連する力を考慮する必要があります。私たちは、マクロスケールの機械の単純な複製ではなく、本質的に適切な機械の開発と設計に直面しています。

したがって、実際のアプリケーションでのナノテクノロジーを評価する際には、すべてのスケーリングの問題を徹底的に評価する必要があります。

アプローチ

ナノファブリケーション

例えば、電子トランジスタは単一の電子に基づいてトランジスタを動作させます。ナノ電気機械システムもこのカテゴリに含まれます。ナノファブリケーションは、ナノワイヤを個別に合成する代わりに、超高密度のナノワイヤ並列アレイを構築するために使用できます。 [ 3 ] [ 4 ]この分野で特に注目されているのは、シリコンナノワイヤです。シリコンナノワイヤは、ナノエレクトロニクス、エネルギー変換、エネルギー貯蔵など、多様な用途に向けて研究が進められています。このようなSiNWは、熱酸化によって大量に 製造することができ、厚さを制御可能なナノワイヤを得ることができます。

ナノマテリアルエレクトロニクス

ナノワイヤやナノチューブは、小型でより多くのトランジスタを1つのチップに詰め込むことができるだけでなく、均一で対称的な構造のため、電子移動度が 高く（材料中の電子の移動が速い）、誘電率が高く（周波数が速い）、電子と正孔の対称的な特性が得られます。[ 5 ]

また、ナノ粒子は量子ドットとして利用することもできます。

分子エレクトロニクス

単分子電子デバイスの研究は広く行われています。これらの手法では、分子の自己組織化を多用し、デバイスコンポーネントを設計することで、より大きな構造、あるいは完全なシステムを単独で構築することが可能になります。これは再構成可能なコンピューティングに非常に有用であり、現在のFPGA技術を完全に置き換える可能性さえあります。

分子エレクトロニクス[ 6 ]は、将来の原子スケールの電子システムに希望をもたらす開発中の技術です。分子エレクトロニクスの有望な応用は、IBMの研究者アリ・アビラムと理論化学者のマーク・ラトナーによって、1974年と1988年の論文「メモリ、ロジック、増幅のための分子」（単分子整流器を参照）で提案されました。[ 7 ] [ 8 ]

ナノ電子デバイスを相互接続するための候補として、多くのナノワイヤ構造が研究されてきました。炭素や他の材料のナノチューブ、金属原子鎖、クムレンまたはポリイン炭素原子鎖、[ 9 ] 、ポリチオフェンなどの多くのポリマーなどです。

他のアプローチ

ナノイオニクスは、ナノスケールのシステムにおける電子ではなくイオンの輸送を研究します。

ナノフォトニクスは、ナノスケールにおける光の挙動を研究し、この挙動を利用するデバイスの開発を目標としています。

ナノ電子デバイス

現在のハイテク製造プロセスは、伝統的なトップダウン戦略に基づいており、ナノテクノロジーは既に静かに導入されてきました。集積回路の臨界長さスケールは、 CPUやDRAMデバイスのトランジスタのゲート長に相当するナノスケール（  50nm以下）に達しています。

コンピューター

ナノワイヤMOSFETにおける反転チャネル（電子密度）の形成と閾値電圧（IV）の達成に関するシミュレーション結果。このデバイスの閾値電圧は約0.45 Vであることに注意してください。

ナノエレクトロニクスは、従来の半導体製造技術では不可能なほど高性能なコンピュータプロセッサを実現する可能性を秘めています。現在、新たなナノリソグラフィー技術や、従来のCMOSコンポーネントの代わりにナノワイヤや低分子などのナノ材料を用いることなど、様々なアプローチが研究されています。電界効果トランジスタは、半導体カーボンナノチューブ[ 10 ]とヘテロ構造半導体ナノワイヤ（SiNW） [ 11 ]の両方を用いて製造されています。

メモリストレージ

これまでの電子メモリ設計は、主にトランジスタの形成に依存していました。しかし、クロスバースイッチベースのエレクトロニクスの研究により、垂直配線アレイと水平配線アレイ間の再構成可能な相互接続を用いて超高密度メモリを実現する代替手段が提案されました。この分野をリードする2社は、ナノRAMと呼ばれるカーボンナノチューブベースのクロスバーメモリを開発したNantero社と、フラッシュメモリの将来的な代替として メモリスタ材料の使用を提案したHewlett-Packard社です。

こうした新しいデバイスの一例として、スピントロニクスが挙げられます。材料の抵抗 (電子のスピンによる) が外部磁場に依存する現象を磁気抵抗といいます。この効果は、ナノサイズの物体では大幅に増幅されます (GMR - 巨大磁気抵抗)。たとえば、2 つの強磁性層が数ナノメートルの厚さの非磁性層 (Co-Cu-Co など) で分離されている場合などです。GMR 効果により、ハードディスクのデータ記憶密度が大幅に向上し、ギガバイト単位の記録が可能になりました。いわゆるトンネル磁気抵抗 (TMR) は GMR と非常によく似ており、隣接する強磁性層を通過する電子のスピン依存トンネリングに基づいています。GMR 効果と TMR 効果はどちらも、磁気ランダム アクセス メモリ ( MRAM)などのコンピューターの不揮発性メイン メモリーの作成に使用できます。

新しい光電子デバイス

現代の通信技術では、従来のアナログ電気デバイスは、それぞれ巨大な帯域幅と容量のために、ますます光デバイスまたは光電子デバイスに置き換えられています。 有望な2つの例として、フォトニック結晶と量子ドットがあります。 フォトニック結晶は、使用する光の波長の半分の格子定数で屈折率が周期的に変化する材料です。 特定の波長の伝播に対して選択可能なバンドギャップを提供するため、電子ではなく光または光子に対する半導体に似ています。 量子ドットはナノスケールの物体であり、レーザーの構築など、さまざまな用途に使用できます。 従来の半導体レーザーに対する量子ドットレーザーの利点は、放出される波長がドットの直径に依存することです。 量子ドットレーザーは従来のレーザーダイオードよりも安価で、ビーム品質が向上します。

ディスプレイ

低消費電力ディスプレイの製造は、カーボンナノチューブ（CNT）やシリコンナノワイヤを用いることで実現できる可能性があります。これらのナノ構造は導電性があり、直径が数ナノメートルと小さいため、電界放出ディスプレイ（FED）において極めて高効率の電界放出源として使用できます。動作原理はブラウン管に似ていますが、長さスケールははるかに小さいです。

量子コンピュータ

量子力学の法則を全く新しい量子コンピュータに応用する全く新しい計算手法は、高速な量子アルゴリズムの使用を可能にします。量子コンピュータは、「キュービット」と呼ばれる量子ビットメモリ空間を備え、複数の計算を同時に実行できます。ナノエレクトロニクスデバイスでは、キュービットは1つまたは複数の電子スピンの量子状態によって符号化されます。スピンは半導体量子ドットまたはドーパントによって閉じ込められます。[ 12 ]

ラジオ

ナノラジオはカーボンナノチューブを中心に構築されて開発されている。[ 13 ]

エネルギー生産

従来の平面シリコン太陽電池よりも安価で効率的な太陽電池を開発するために、ナノワイヤやその他のナノ構造材料を使用する研究が進行中です。 [ 14 ] より効率的な太陽エネルギーの発明は、世界のエネルギー需要を満たすのに大きな影響を与えると考えられています。

生体内で作動するバイオナノ発電機と呼ばれる装置のためのエネルギー生産の研究もある。バイオナノ発電機は燃料電池やガルバニ電池のようなナノスケールの電気化学装置だが、生体が食物からエネルギーを生成するのとほぼ同じように、生体内の血糖値から電力を得る。この効果を得るために、グルコースから電子を剥ぎ取って電気装置で使用できるように遊離させる酵素が使用される。平均的な人の体は、理論的にはバイオナノ発電機を使用して100ワットの電気（1日あたり約2000食物カロリー）を生成できる。 [ 15 ]しかし、この推定はすべての食物が電気に変換された場合に限るものであり、人体は常にいくらかのエネルギーを必要とするため、生成される電力ははるかに低い可能性がある。このような装置によって生成される電力は、体内に埋め込まれた装置（ペースメーカーなど）や糖を補給するナノロボットに電力を供給することができる。バイオナノジェネレータに関する研究の多くはまだ実験段階だが、パナソニックのナノテクノロジー研究所はその最前線に立っている。

医療診断

医療診断に用いるために生体分子の濃度をリアルタイムで検出できるナノ電子デバイス[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]の構築に大きな関心が寄せられており、 [ 19 ]これはナノ医療の範疇に入る。[ 20 ]並行して、基礎生物学研究に用いるために単一細胞 と相互作用できるナノ電子デバイスの開発も進められている。 [ 21 ] これらのデバイスはナノセンサーと呼ばれている。生体内プロテオームセンシングに向けたナノエレクトロニクスのこのような小型化は、健康モニタリング、監視、防衛技術への新たなアプローチを可能にするはずである。[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]

参考文献

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さらに読む

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