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ナノ回路とは、量子力学的効果が重要となるナノメートルスケールで動作する電気回路のことです。1ナノメートルは10⁻⁹メートル、または水素原子10個が並んだ長さに相当します。このように回路がどんどん小さくなるにつれて、コンピュータチップ上に搭載できる回路の数が増えていきます。これにより、より少ない電力で、より高速かつ複雑な機能を実現できます。ナノ回路は、トランジスタ、相互接続、アーキテクチャという3つの異なる基本構成要素から成り立っており、これらはすべてナノメートルスケールで製造されます。
さまざまな形態でナノ回路を実装するためのさまざまな提案がなされてきました。これには、ナノワイヤ、単電子トランジスタ、量子ドットセルオートマタ、ナノスケールクロスバーラッチが含まれます。しかし、より近い将来のアプローチとしては、MOSFET（金属酸化物半導体電界効果トランジスタ）を改善するためにナノ材料を組み込むことが考えられます。これらは現在、ほとんどのアナログ回路とデジタル回路の設計の基礎となっており、そのスケーリングがムーアの法則を推進しています。MOSFETの設計とその将来を扱ったレビュー記事[ 1 ]が2004年に発表され、スケール縮小におけるMOSFETのさまざまな形状を比較し、円形断面の垂直チャネルFETがスケール縮小に最適であると指摘しました。この構成は、ナノスケール直径の垂直半導体円筒チャネルを使用して高密度で実装することが可能であり、インフィニオンテクノロジーズとサムスンは、この方向で研究開発を開始し、 MOSFET設計でナノワイヤとカーボンナノチューブを使用したいくつかの基本的な特許[ 2 ] [ 3 ]を取得しています。別のアプローチとして、[ 4 ] Nanosysは溶液ベースの堆積および整列プロセスを使用して、FETの横方向チャネルとして機能する基板上にナノワイヤのプレファブリケーションアレイをパターン化します。単一ナノワイヤFETと同じスケーラビリティは実現できませんが、チャネルにプレファブリケーションされた複数のナノワイヤを使用することで、従来の製造手順よりも低い温度でナノワイヤを堆積するために大量印刷プロセスを使用できるため、信頼性が向上し、製造コストが削減されます。さらに、低温での堆積により、ポリマーなどのより幅広い種類の材料をトランジスタのキャリア基板として使用できるため、電子ペーパー、曲げ可能なフラットパネルディスプレイ、広面積太陽電池などのフレキシブルエレクトロニクスアプリケーションへの道が開かれます。
ナノ回路を理解するための最も基本的な概念の 1 つは、ムーアの法則の定式化です。この概念は、インテルの共同創設者であるゴードン・ムーアがトランジスタのコストに関心を持ち、1 つのチップにより多くのトランジスタを搭載しようとしたときに生まれました。この法則は、シリコン集積回路上に製造できるトランジスタの数、つまりそのような回路の計算能力が 18 ～ 24 か月ごとに倍増していることを示しています。[ 5 ]回路に搭載できるトランジスタの数が多いほど、コンピュータの計算能力は高くなります。これが、科学者とエンジニアが協力してこれらのナノ回路を製造し、チップにますます多くのトランジスタを搭載できるようにする理由です。これは素晴らしいように聞こえますが、非常に多くのトランジスタが詰め込まれると、多くの問題が発生します。回路が非常に小さいため、より大きな回路よりも多くの問題が発生しやすく、特に熱の問題が顕著です。より小さな表面積に印加される電力の量により放熱が難しくなり、この過剰な熱がエラーを引き起こし、チップを破壊する可能性があります。ナノスケール回路は、今日の回路よりも温度変化、宇宙線、電磁干渉に対して敏感です。 [ 6 ] チップ上にトランジスタが詰め込まれるにつれて、チップ上の迷走信号、非常に多くのデバイスが密集して熱を放散する必要性、微細化による絶縁バリアを介したトンネル効果、製造上の困難などの現象により、進歩が停止または著しく遅くなります。[ 7 ]回路をさらに小さくするコストが高すぎる時が来て、コンピュータの速度が限界に達する時が来るでしょう。このため、ムーアの法則は主にマイクロリソグラフィエッチング技術の進歩による計算能力の向上に基づいているため、多くの科学者はムーアの法則は永遠に続くものではなく、すぐにピークに達すると考えています。
これらのナノ回路の製造には、多くの側面が関わっています。その構成の最初の部分はトランジスタから始まります。現在、ほとんどの電子機器はシリコンベースのトランジスタを使用しています。トランジスタは、電気の流れを制御し、弱い電気信号を強い信号に変換するため、回路の不可欠な部分です。また、電流をオンオフしたり、信号を増幅したりできるため、電流を制御することもできます。回路は現在、シリコンをトランジスタとして使用しています。これは、シリコンが導通状態と非導通状態の間で容易に切り替えられるためです。しかし、ナノエレクトロニクスでは、トランジスタは有機分子またはナノスケールの無機構造になる可能性があります。[ 8 ]トランジスタの一部である半導体も、ナノ状態の有機分子で作られています。
ナノ回路構成の 2 つ目の側面は相互接続です。これには論理演算と数学演算、そしてそれを可能にするトランジスタ同士を接続するワイヤが含まれます。ナノ回路では、トランジスタ同士を接続するために、ナノチューブや 1 ナノメートルほどの細いワイヤが使用されます。 ナノワイヤは数年前からカーボンナノチューブから作られています。数年前までは、トランジスタとナノワイヤを組み合わせて回路を作っていました。しかし、科学者たちはトランジスタを内蔵したナノワイヤを作ることに成功しました。2004 年、ハーバード大学のナノテクノロジーの先駆者であるチャールズ・リーバーとそのチームは、紙の 1 万分の 1 の薄さのナノワイヤにトランジスタの列を内蔵したナノワイヤを作りました。[ 9 ]基本的に、トランジスタとナノワイヤはすでに配線済みなので、トランジスタをナノワイヤで接続するという難しい作業は不要になります。
ナノ回路構成の最後の部分はアーキテクチャです。これは、トランジスタが相互接続される全体的な方法であり、回路がコンピュータや他のシステムに接続され、下位レベルの詳細とは独立して動作できるようにするものです。[ 10 ] ナノ回路は非常に小さいため、エラーや欠陥が発生する運命にあります。科学者たちは、これを回避する方法を考案しました。彼らのアーキテクチャは、冗長な論理ゲートと相互接続を持つ回路と、チップ上の複数のレベルで構造を再構成する機能を組み合わせたものです。[ 11 ] 冗長性により、回路は問題を特定して再構成し、回路がさらなる問題を回避できるようにします。また、論理ゲート内のエラーがあっても、誤った結果を出すことなく正しく動作させることができます。
1987年、ビジャン・ダヴァリ率いるIBMの研究チームは、タングステンゲート技術を用いて、ゲート酸化膜厚10nmの金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（MOSFET）を実証した。 [ 12 ]マルチゲートMOSFETは、3次元非平面ダブルゲートMOSFETであるFinFET （フィン電界効果トランジスタ）を皮切りに、ゲート長20nm以下のスケーリングを可能にした。 [ 13 ] FinFETは、 1989年に日立中央研究所のDigh Hisamotoの研究から始まった。[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] UCバークレーでは、HisamotoとTSMCのChenming Hu 、 Tsu-Jae King Liu、Jeffrey Bokor 、Hideki Takeuchi、K. Asano、Jakub Kedziersk、Xuejue Huang、Leland Chang、Nick Lindert、Shibly Ahmed、Cyrus Taberyを含む他の国際的な研究者からなるグループによってFinFETデバイスが製造された。このチームは、1998年に17 nmプロセスまでFinFETデバイスを製造し、2001年には15 nmまで製造した。2002年には、Yu、Chang、Ahmed、Hu、Liu、Bokor、Taberyを含むチームが10 nm FinFETデバイスを製造した。[ 13 ]
2005年、カリフォルニア大学サンディエゴ校のインド人物理学者プラバカール・バンダルとアッパラオ・M・ラオは、カーボンナノチューブのみで構成された世界最小のトランジスタを開発した。これはナノ回路に使用することを目的としていた。ナノチューブは炭素原子のシートを巻き上げたもので、人間の髪の毛の1000分の1以下の細さである。2006年、韓国科学技術院（KAIST）と国立ナノファブセンターの韓国人研究者チームは、ゲートオールアラウンド（GAA）FinFET技術に基づいて、世界最小のナノエレクトロニクスデバイスである3nm MOSFETを開発した。 [ 18 ] [ 19 ]
通常、回路にはシリコンベースのトランジスタが使用されますが、カーボンナノチューブはそれらを置き換えることを目的としています。トランジスタには、1つの点で交わる2つの異なる分岐があり、Y字型をしています。電流は両方の分岐を流れることができ、電圧をオンまたはオフにする3番目の分岐によって制御されます。この新しいブレークスルーにより、ナノ回路は完全にナノチューブから作ることができるため、その名に完全にふさわしいものになります。この発見以前は、論理回路はナノチューブを使用していましたが、電流の流れを制御するために金属ゲートが必要でした。
ナノ回路はコンピュータエレクトロニクスに応用できる可能性がある。近い将来、マイクロシリコンとナノシリコンのハイブリッドにナノコアを組み合わせることで、コンピュータメモリの寿命を延ばせる可能性があると考える人もいる。[ 20 ] 従来の回路設計は、設計図から写真パターン、そしてチップへと進むが、ナノ回路設計はチップから始めて、その周りにデバイスを構築することができる。[ 21 ]