Современные проблемы электроники и наноэлектроники реферат
Обновлено: 07.07.2024
Об авторе
Александр Васильевич Латышев — академик РАН, доктор физико-математических наук, директор Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова (Новосибирск). Автор и соавтор 250 научных работ, из них 6 монографий и 9 патентов.
Сейчас количество транзисторов на одном чипе, одной ячейке микросхемы компьютера характерного размера 1 см 2 , достигает несколько десятков миллиардов. Согласно данным официальной статистики, к 2015 г. минимальный размер транзистора по сравнению с 1971 г. уменьшился в 715 раз! Если бы, к примеру, железная дорога развивалась такими темпами, то мы бы сейчас от Москвы до Новосибирска доезжали за 4 минуты.
Мир в двоичном коде
У этого МДП-транзистора с индуцированным каналом N-типа есть только два состояния: открыт — закрыт
Работа на будущее
Фотолитография в микро- и наноэлектронике — это формирование в специальном чувствительном слое, нанесенном на поверхность подложки, рельефной маски (рисунка), повторяющего топологию микросхемы. Используется практически тот же процесс, что и при проявке фотографий. Как будто на одну и ту же подложку экспонируют несколько фотопленок, поочередно их проявляют, протравливают, в образовавшиеся окна фотослоя напыляют подходящий материал, затем удаляют неэкспонированный фотослой — так получают микросхему. Только травят уже не в жидкости, а в газах или в плазме. Сейчас этот технологический процесс совершенствуется с огромной скоростью.
Но мы забежали вперед, а на самом деле создание новой микросхемы начинается с ее разработки в дизайн-центре. До производства микросхемы инженеры проектируют будущий компьютер, созданный пока еще на виртуальной микросхеме — стараются работать на опережение. И только после этого начинается само производство, тесты, испытания, исправление ошибок. Так появляются все новые и новые поколения работающих микросхем.
Единственное, в чем микросхемы пока точно проигрывают человеку, это в электропитании. С точки зрения потребления энергии мы намного более экономичны. Если создать искусственный мозг наподобие человеческого, то на его поддержание потребуются гигаватты энергии. Понадобятся атомные электростанции, которые будут работать всего лишь на один искусственный мозг, эквивалентный мозгу одного человека. Поэтому сейчас в этой области очень остро стоит задача уменьшения энергопотребления.
Да будет синий!
Разработки в области физики полупроводников позволили не только развить современную элементную базу информационных технологий, но и совершить прорыв в области энергосбережения, решив глобальную задачу — освещения.
Самый простой способ получить свет — это разжечь костер. Много света, но и много тепла. Потом придумали электрическую лампочку с вольфрамовой спиралью в вакууме, накаленной до высокой температуры. Получили свет и вновь — тепло. Снова колоссальные потери энергии. Затем придумали энергосберегающие лампы с ртутьсодержащими элементами. Благодаря электрическому разряду в парах ртути возникает низкотемпературная плазма, которая преобразуется в ультрафиолетовое излучение. А люминофор, покрывающий внутреннюю поверхность трубки, преобразует его уже в видимый свет. У этих ламп до 75% энергии излучается в виде света. Это большой плюс, но есть и минусы. Например, мерцание.
Человеческая мысль не стояла на месте — появились светодиодные лампы. Полупроводниковый диод в принципе не нагревается. Нагрев — паразитное явление, связанное с тем, что мы не умеем делать хорошие полупроводники, в первую очередь это относится к границам раздела полупроводника. Но даже с учетом этой проблемы полупроводниковые элементы нагреваются много меньше, чем элементы других ламп.
Проведение электронно-микроскопических и литографических работ в ИФП им. А. В. Ржанова СО РАН
В общем, все дело в материале полупроводника, который нужно тщательно подбирать. Именно в этом и была проблема создания синего светодиода. С красным светодиодом, а потом и с зеленым справились достаточно быстро, а вот синим занимались многие ученые, но безуспешно. Известные американские фирмы вложили в его разработку миллиарды долларов, но эти проекты были закрыты ввиду отсутствия результатов. Хироси Амано вспоминал, что, когда он в первый раз читал свой доклад о синем светодиоде, в зале было очень мало людей. Многие участники конференции просто не пришли, посчитав тему доклада бесперспективной.
Но японские ученые Исаму Акасаки, Хироси Амано и Сюдзи Накамура со всей присущей им настойчивостью продолжали внимательно и тщательно работать и, в конце концов, обнаружили ряд интересных явлений, способствующих созданию голубого светодиода.
По словам Амано, помогла и случайность. Обычно исследователи работали по стандартному алгоритму: выращивали нитрид-галлиевую структуру, создавали контакты, подавали напряжение, проводили измерения, а потом несли образец на электронную микроскопию, чтобы посмотреть, какая структура получилась. Но однажды в обычном порядке работы произошел сбой: образец сначала просмотрели на электронном микроскопе и лишь потом провели измерения. И обнаружили колоссальное усиление люминесценции (светимости) структур. Только через некоторое время они поняли, что причиной стало воздействие электронного пучка. И действительно, они нашли опубликованные работы, где сообщалось, что люминесценция некоторых материалов, подвергнутых подобной бомбардировке электронами, становилась ярче.
Использовав этот эффект, удалось создать новую генерацию полупроводниковых структур, которые были более эффективны, хотя поначалу и ненамного. Они пошли дальше. Традиционно для таких материалов в качестве легирующей примеси использовался цинк и селен, но Амано предложил применить магний, и голубой диод стал работать гораздо лучше.
Однако технология воздействия электронным пучком была далека от идеальной, особенно с точки зрения промышленного производства. К тому же облучение высокоэнергетическим потоком электронов приводило к появлению радиационных дефектов, которые ухудшали свойства фотодиода. В результате японцы создали установку эпитаксиального роста многослойных нитрид-галлиевых структур, основанную на промышленной МОС-гидридной эпитаксии — химическом осаждении металлоорганических соединений. В этой установке, на создание которой группа Амано потратила много сил, полупроводниковые структуры выращивались в газовой среде, а вместо облучения использовался термический отжиг.
В нашем Институте физики полупроводников мы разрабатываем методы получения наноструктур с принципиально новыми возможностями для нано- и оптоэлектроники, средств связи, информационных технологий, измерительной техники и пр. Эти работы связаны с развитием технологии молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) — одной из основных в современной физике полупроводников и полупроводниковой электронике. МЛЭ представляет собой процесс послойного, контролируемого эпитаксиального роста различных соединений на уровне одного монослоя. Резкие границы раздела создаются за счет низкой скорости роста и резкого изменения потоков в условиях атомарной чистоты материалов в сверхвысоком вакууме.
Установка для молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ — напыление различных материалов на плоские подложки в условиях сверхвысокого вакуума) была изготовлена и работает в ИФП им. А. В. Ржанова СО РАН
Развитие современных МЛЭ нанотехнологий открыло возможности конструирования методами зонной инженерии и инженерии наноструктур с электронным спектром и свойствами, определяемыми квантово-механической природой элементарных возбуждений в твердом теле. Использование квантовых эффектов в полупроводниковых системах пониженной размерности — это принципиальная основа для повышения на несколько порядков степени интеграции, увеличения быстродействия и уменьшения потребляемой мощности полупроводниковых устройств в электронике нового поколения.
Когда синий светодиод стал реальностью, он совершил революцию. Появились матричные дисплеи разных конструкций, в которых использованы все три светодиода. Они могут стоять рядом — все равно наш глаз этого не различит. Нам будет казаться, что светится одна точка, и в зависимости от пропорции красного, синего и зеленого мы увидим разные цвета. Сейчас, если научиться печатать подобные структуры дешево, как на бумаге, можно даже выпускать газету, которая будет чуть-чуть светиться.
В новосибирском Институте физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН проводятся исследования в рамках основных тенденций развития полупроводниковой электроники. К ним относятся работы по уменьшению размера транзисторов и увеличению степени их интеграции, разработка новых материалов на основе гетероэпитаксиальных полупроводниковых структур и однослойных пленок толщиной в один атомный слой. Активно идет работа по развитию электронной компонентной базы на новых физических принципах. Также проводятся работы, относящиеся к переходу от двумерной к трехмерной схемотехнической архитектуре полупроводниковой электроники.
Точка пересечения
Нобелевский лауреат Х. Амано в ИФП СО РАН. 2019 г.
В те годы я принимал участие в крупном мегапроекте под руководством профессора К. Яги из Токийского технологического университета, посвященном изучению поверхности и границ раздела полупроводниковых гетероструктур. В проекте принимали участие несколько университетов, в том числе и Национальный университет Нагои, где работал Амано. В рамках проекта проходило много научных мероприятий, и, возможно, на каком-то из них мы могли повстречаться.
В Японию же я приехал потому, что в то время там работала группа, которая занималась исследованием процессов на поверхности полупроводника. И они очень заинтересовались эффектом эшелонирования атомных ступеней, который мы тогда открыли. Нас с Амано объединяет то, что мы оба хорошо понимаем, как важно все, что происходит на поверхности полупроводника во время его роста. Увидеть и проконтролировать эти процессы на атомном уровне гораздо легче в вакууме, а не в газовой фазе, где их трудно изучать детально. Конечно, есть еще моделирование, но в любом случае в этом направлении мы продвинулись дальше, чем наши японские коллеги. И когда Амано впервые посетил наш институт, то был потрясен, увидев то, что мы делаем.
Фокус совместных интересов нашего института и организации, которую представляет Амано, — низкоразмерные системы, двумерный электронный газ и т. д. Это область, в которой мы работаем и которая пересекается с областью научных интересов Амано и его коллег. Нас же привлекает промышленная ориентированность исследований японских ученых. У нас в стране подобной тематикой занимается ограниченное число научных групп. И, за исключением нашего института, это, как правило, фундаментальные исследования, не имеющие никакого отношения к практике, — так легче добиться результата.
При прогреве постоянным током до температуры сублимации кремния система атомных ступеней на поверхности Si(111) (справа, а) быстро трансформируется в кластеры — эшелоны ступеней, которые на ОЭМ-изображении появляются в виде широких темных полос (б). Это изменение морфологии поверхности обратимо путем смены направления электрического тока, пропускаемого через образец
Амано руководит своим центром, где сейчас проводятся исследования с нитрид-галлиевыми гетероструктурами, которыми мы тоже занимаемся. Вырастить подобные кристаллы очень трудно — требуются громадные давления, чуть ли не 30 атмосфер. Но можно выращивать их тонким монокристаллическим слоем с помощью эпитаксиальных методов, о которых говорилось выше и которыми мы хорошо владеем. Пока у японцев результаты не слишком впечатляющие, но они понимают, что их можно улучшить за счет применения методов молекулярно-лучевой эпитаксии.
Атомные ступени на поверхности кремния формируются за счет выхода плотно упакованных атомами плоскостей кристаллической решетки. Вверху — схематическое изображение различных видов встраивания атомов в ступень при их осаждении на поверхность
Сам Амано сейчас отходит от классических светодиодов — его больше интересует область их практического применения. Например, в ультрафиолетовых облучателях для воды. Для Японии это очень актуальная проблема, так как пресной воды там мало, а благодаря потеплению климата обострилась проблема бактериального загрязнения воды. Требуется постоянное обеззараживание, а пока самый простой, доступный и не очень приятный способ — обыкновенная хлорка.
Еще один интерес — беспроводное энергоснабжение с помощью микроволнового излучения, например, на основе все тех же нитрид-галлиевых гетероструктур. Предполагается, что с помощью СВЧ мы сможем подзаряжать суперконденсаторы в наших мобильных устройствах. Ведь если из современного телефона вытащить аккумулятор, сколько он будет весить? Основной вес наших сотовых телефонов приходится на батарею и защитное стекло. Ведь, благодаря успехам полупроводниковой электроники, самое главное в них — микросхема — практически ничего не весит.
Завершая визит в научную столицу Сибири, Хироси Амано увез пакет конкретных предложений о взаимовыгодном сотрудничестве с новосибирскими учеными. Его основные пункты были прописаны еще в прошлом году в меморандуме, заключенном между Нагойским университетом и Институтом физики полупроводников СО РАН. Они касаются наших работ по низкоразмерным системам на основе материалов А3В5, А2В6 и четвертой группы (германий, кремний), а также исследований атомных процессов на поверхности и границах раздела полупроводников и анализа дефектов в эпитаксиальных структурах.
Профессор Х. Амано вместе с российским коллегой, академиком А. В. Латышевым, директором ИФП СО РАН. Слева — К. Амано, супруга проф. Амано
В публикации использованы фото С. Зеленского, Д. Щеглова, В. Яковлева и Р. Мельгунова.
Литература
1. Асеев А. Л. Нанотехнологии: вчера, сегодня, завтра // Наука из первых рук. 2008. Т. 23. № 5. С. 24–41.
2. Латышев А. В., Асеев А. Л. Моноатомные ступени на поверхности кремния. Новосибирск: Издательство СО РАН, 2006. 242 с.
3. Латышев А. В., Фелина Л. И. Прогулка по атомным ступеням, или Как перейти от фундаментальных исследований на поверхности к измерениям в мире нано // Наука из первых рук. 2015. Т. 60. № 6. С. 48–59.
4. Latyshev A. V., Aseev A. L., Krasilnikov A. B., Stenin S. I. Transformations on clean Si(111) stepped surface during sublimation // Surf. Sci. 1989. V. 213. N. 1. P. 157–169.
Читайте также: