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利用を指します。この用語は、さまざまなデバイスや材料を網羅しており、共通の特徴として、非常に小さいため、原子間の相互作用や量子力学的特性を広範囲に研究する必要があることが挙げられます。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、1次元ナノチューブ/ナノワイヤ（シリコンナノワイヤやカーボンナノチューブなど）、高度な分子エレクトロニクスなどがあります。

ナノエレクトロニクスデバイスの臨界寸法は、 1nmから100nmの範囲です。 ^[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）技術の世代はすでにこの領域にあり、22ナノメートル CMOS（相補型MOS）ノードと、それに続く14nm、10nm、7nmの FinFET （フィン電界効果トランジスタ）世代が含まれます。ナノエレクトロニクスは、現在の候補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ります。

1965年、ゴードン・ムーアはシリコントランジスタが継続的に微細化していることを観察し、この観察は後にムーアの法則として成文化されました。彼の観察以来、トランジスタの最小加工寸法は10マイクロメートルから2019年現在10nmの範囲にまで縮小しました。テクノロジーノードは直接最小加工寸法を表すわけではないことに注意してください。ナノエレクトロニクスの分野では、新しい方法と材料を使用してナノスケールの加工寸法を持つ電子デバイスを構築することで、この法則を継続的に実現することを目指しています。

物体の体積はその長さの 3 乗に比例して減少しますが、表面積は2乗に比例してしか減少しません。このやや微妙で避けられない原理には、重大な影響があります。たとえば、ドリル(またはその他の機械)の出力は体積に比例しますが、ドリルのベアリングとギアの摩擦は表面積に比例します。通常サイズのドリルの場合、デバイスの出力は摩擦を楽々と克服するのに十分です。ただし、たとえば長さを 1000 分の 1 に縮小すると、出力は 1000 ³ (10 億分の 1) 減少しますが、摩擦は 1000 ² (100 万分の 1) しか減少しません。比例して、単位摩擦あたりの出力は元のドリルの 1000 分の 1 になります。元の摩擦対出力比がたとえば 1% だった場合、小さいドリルの摩擦は出力の 10 倍になることを意味します。つまり、ドリルは役に立たなくなります。

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て機能する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。したがって、繊細にエッチングされたシリコンギアの顕微鏡写真を見たことがあるかもしれませんが、そのようなデバイスは現在、可動ミラーやシャッターなど、実際の用途が限られている珍しいものに過ぎません。^[2] 表面張力もほぼ同じように増加し、非常に小さな物体がくっつく傾向が強まります。これにより、あらゆる種類の「マイクロファクトリー」が非実用的になる可能性があります。ロボットアームとハンドを縮小できたとしても、それらが持ち上げたものを置くことは不可能になる傾向があります。上記のように、分子の進化により、繊毛、鞭毛、筋繊維、および回転モーターが水性環境で機能するようになりましたが、すべてナノスケールです。これらのマシンは、マイクロ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。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) に依存するパドルやプロペラとは異なり、繊毛は、マイクロおよびナノ次元に存在する誇張された抗力または層流力 (表面に対して平行な摩擦力) から運動を生み出します。ナノスケールで意味のある「マシン」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、マクロ的なマシンの単純な複製ではなく、本質的に適切なマシンの開発と設計に直面しています。

したがって、ナノテクノロジーを実際の用途に応用するかどうかを評価する際には、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。

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操作する。ナノ電気機械システムもこのカテゴリに分類される。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の並列アレイを構築するために使用できる。 ^{[3] [4]}この分野で特に目立つのは、シリコンナノワイヤであり、ナノエレクトロニクス、エネルギー変換、およびストレージのさまざまな用途に向けて研究が進んでいる。このようなSiNWは、熱酸化によって大量に 製造され、制御可能な厚さのナノワイヤを生成することができる。

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（材料内の電子の移動速度が速い）、誘電率（周波数が速い）、電子/正孔特性の対称性など が向上します。^[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。

単一分子電子デバイスは広く研究されています。これらのスキームでは、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して、それ自体でより大きな構造や完全なシステムを構築します。これは再構成可能なコンピューティングに非常に役立ち、現在のFPGAテクノロジを完全に置き換える可能性もあります。

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の研究者であるアリ・アビラムと理論化学者のマーク・ラトナーが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）で提案しました。^{[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、炭素ナノチューブやその他の材料、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、多くのナノワイヤ構造が研究されてきました。

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。

現在のハイテク生産プロセスは、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すでにひそかに導入されています。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関して、すでにナノスケール (50  nm以下)に達しています。

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コンピュータプロセッサの性能を向上させる可能性を秘めています。現在、新しい形態のナノリソグラフィーや、従来のCMOSコンポーネントの代わりにナノワイヤや小分子などのナノ材料を使用するなど、さまざま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) の両方を使用して製造されています。^[11]

これまでの電子メモリ設計は、トランジスタの形成に大きく依存していました。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では、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使用して超高密度メモリを作成する代替手段が提案されました。この分野の 2 つのリーダーは、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と、フラッシュ メモリの将来の代替としてメモリスタ材料の使用を提案したHewlett-Packardです。 ^{[引用が必要]}

このような新しいデバイスの例としては、スピントロニクスに基づくものがあります。材料の抵抗（電子のスピンによる）が外部磁場に依存すること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増加し、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ル効果に基づいています。GMR 効果と TMR 効果はどちらも、いわゆる磁気ランダム 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 メモリの作成に使用できます。^[要出典]

現代の通信技術では、従来のアナログ電気デバイスは、帯域幅と容量が非常に大きいため、 光学デバイスまたは光電子デバイスにますます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。^[要出典]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。 フォトニック結晶は、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、他の多くの用途とともに、レーザーの構築に使用できます。 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。

低エネルギー消費の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使用することで実現できる可能性があります。このような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）の非常に高効率な電界放出器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、長さのスケールがはるかに小さいです。^[要出典]

まったく新しいコンピューティング手法では、量子力学の法則を新しい量子コンピュータに利用し、高速な量子アルゴリズムの使用を可能にしています。量子コンピュータには、複数の計算を同時に実行するための「キュービット」と呼ばれる量子ビット メモリ空間があります。ナノ電子デバイスでは、キュービットは 1 つ以上の電子スピンの量子状態によってエンコードされます。スピンは半導体量子ドットまたはドーパントによって制限されます。^[12]

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]

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効果をもたらすと考えられています。

また、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行われている。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 電気化学装置であるが、生体内の血糖値から電力を引き出すものであり、体が食物からエネルギーを生成するのとほぼ同じである。この効果を得るために、グルコースから電子を剥ぎ取り、電気装置で使用できるように解放することができ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り当てはまり、人体は常にいくらかのエネルギーを必要とするため、生成される可能性のある電力はおそらくはるかに低い。このような装置によって生成された電気は、体内に埋め込まれた装置（ペースメーカーなど）や砂糖を摂取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。

医療診断に使用す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]}ナノメディシンのカテゴリーに分類されます。^[20] 並行した研究では、基礎生物学研究に使用す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作成を目指しています。 ^{[21]これらのデバイスは}ナノセンサー と呼ばれます。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、防衛技術への新しいアプローチを可能にするはずです。^{[22] [23] [24]}

• Bennett, Herbert S.; Andres, Howard; Pellegrino, Joan; Kwok, Winnie; Fabricius, Norbert; Chapin, J. Thomas (2009 年 3 月～4 月)。「ナノ電気技術のイノベーションを加速するための標準と測定の優先事項: NIST-Energetics-IEC TC 113 調査の分析」( PDF )。米国国立標準技術研究所の研究ジャーナル。114 (2): 99–135。doi :10.6028/jres.114.008。PMC 4648624。PMID 27504216。2010年5月 5 日に オリジナル(PDF)からアーカイブ。 
• Despotuli, Alexander; Andreeva, Alexandra (2009 年 8 月～ 10 月)。「ディープサブ電圧ナノエレクトロニクスと関連技術に関する短いレビュー」。International Journal of Nanoscience。8 ( 4～5): 389～402。Bibcode : 2009IJN ....08..389D。doi :10.1142/ S0219581X09006328。
• Veendrick, HJM (2025).ナノメートル CMOS IC . Springer. p. 700. ISBN 978-3-031-64248-7。 https://link.springer.com/book/10.1007/978-3-031-64249-4/
• Supriyo Datta による電子工学の基礎に関するオンライン コース (2008)
• ナノエレクトロニクスからの教訓: 輸送に関する新たな視点(2部構成)(第2版)、Supriyo Datta (2018)

ウィキメディア・コモンズには、ナノエレクトロニクスに関連するメディアがあります。

• IEEE シリコンナノエレクトロニクスワークショップ
• スピンエレクトロニクス仮想研究所
• ナノスケールの単層カーボンナノチューブのエレクトロニクスに関するサイト - ナノエレクトロニクス
• ナノエレクトロニクスと先進VLSI研究に関するサイト
• 欧州委員会ナノエレクトロニクス部門、DG INFSOのウェブサイト
• ナノエレクトロニクス (UnderstandingNano Web サイト)
• ナノエレクトロニクス - PhysOrg