Исследование физических принципов построения и функционирования перспективных устройств наноэлектроники для создания ЭКБ нового поколения

Объекты исследования – гетероструктурные транзисторы, полевой нанотранзистор с FinFET топологией, оптический волновод, система питания СБИС СнК. Цель работы: разработка методов проектирования и создания интегральных приборов молекулярной, квантовой и вакуумной наноэлектроники для быстродействующих электронных устройств с низким энергопотреблением. Решаемые задачи: 1) Исследование физико-технологические и схемотехнические методов снижения энергопотребления и повышения быстродействия. 2) Разработка экспериментального образца наноразмерного полупроводникового диода с квази-вакуумным (воздушным) каналом проводимости. 3) Исследование квантово-полевых эффектов в наноразмерном полевом транзисторе (nanoFET) на основе одномерных полупроводниковых наноструктур. 4) Поиск оптимальных молекулярных проводников. 5) Модели взаимодействия блоков обработки информации с интегрированным источником энергии работы для анотранзисторных схем и систем нового поколения. В результате проведения этапа работы проведены следующие исследования. Исследование физических принципов создания высокоскоростной элементной базы на основе многослойных полупроводниковых структур с управляемой зонной диаграммой. Разработка математических моделей и принципов функционирования гетероструктур с максимальным быстродействием и минимальным энергопотреблением. Исследование квантово-механических явлений полевой эмиссии в полупроводниковых структурах с вакуумным наноразмерным каналом проводимости. Впервые будет разработана квантово-механическая модель полевой эмиссии электронов с наноразмерных катодов в вакуумное пространство, учитывающая размерные эффекты электронного транспорта в приповерхностном эмиссионном слое и тепловые эффекты разогрева катода в сильных электрических полях. На основе квантово-механических расчётов электронного транспорта из полупроводника в вакуум будет предложена оригинальная форма основного уравнения полевой эмиссии для наноразмерных полупроводниковых эмиттеров, учитывающая экспериментальные закономерности. Исследование квантово-полевых эффектов в нанотранзисторах. Подход отличается от существующих расширенным учетом системообразующих факторов, в частности, не только учетом квантово-размерных эффектов при формировании кремниевых одномерных наноструктур в FinFET транзисторе, но и учетом в полевом режиме переноса токов и изменения структуры энергетических уровней квантования. Исследование спонтанного нарушения симметрии в открытых квантовых системах как основы нового физического принципа построения элементной базы молекулярной наноэлектроники со сверхнизким энергопотреблением. Исследование методов создания полностью автономных самопитаемых систем на основе интегрированного преобразователя энергии. Традиционные маршруты, методы и средства проектирования цифровых схем и систем ориентированы на использование внешнего дискретного источника электропитания, в отношении которого предъявляются жесткие требования по уровню тока и напряжения, при этом фактически учет особенностей источника сводится к учету разброса его параметров (в пределах 10-15%) на этапе логического синтеза, а также к расчету количества внешних выводов системы питания и размера шин на этапе физического синтеза. Отличительной особенностью предлагаемых исследований является учет возможности интеграции в одном кристалле/корпусе всех функциональных компонентов самопитаемой системы, что приведет к повышению эффективности проектирования схем и систем за счет согласованности характеристик альтернативного источника энергии и подсистемы преобразования питания. Результаты работы могут быть использованы для создания перспективной наноэлектронной компонентной базы электроники, наноэлектроники, квантовых компьютеров, многофункциональных полупроводниковых гетероструктур, одномерных и двумерных кристаллов, метаматериалов, молекулярной и биоэлектроники.