Манипуляции веществом на молекулярном уровне уже затронули многие отрасли промышленности, не обошли они и электронику. Микропроцессоры и интегральные микросхемы строятся именно так. Ведущие страны вкладываются в дальнейшее развитие данного технологического пути — чтобы переход на наноуровень происходил быстрее, шире, и совершенствовался бы далее.

Кое-какие успехи, кстати уже достигнуты. Intel в 2007 году заявила, что процессор на базе структурного элемента размером в 45 нм разработан (представили VIA Nano) и следующим шагом будет достичь 5 нм. IBM собираются добиться 9 нм благодаря графену.

Углеродные нанотрубки (графен) — один из наиболее перспективных наноматериалов для электроники. Они позволяют не только уменьшить размеры транзисторов, но и придать электронике поистине революционные свойства, как механические, так и оптические. Нанотрубки не задерживают свет, подвижны, сохраняют электронные свойства схем.

Особенно творческие оптимисты уже предвкушают создание портативных компьютеров, которые можно будет словно газету достать из кармана, или носить в виде браслета на руке, и по желанию как газету развернуть, и весь компьютер будет словно раскладной сенсорный экран высокого разрешения толщины бумаги.

Еще одна перспектива для приложения нанотехнологий и применения наноматериалов — разработка и создание жестких дисков нового поколения. Альберт Ферт и Питер Грюнберг в 2007 году получили нобелевскую премию за открытие квантовомеханического эффекта сверхвысокого магнитного сопротивления (GMR-эффекта), когда тонкие пленки металла из чередующихся проводящих и ферромагнитных слоев значительно изменяют свое магнитное сопротивление при изменении взаимного направления намагниченности.

Управляя при помощи внешнего магнитного поля намагниченностью структуры, можно создавать настолько точные датчики магнитного поля, и осуществлять такую точную запись на носитель информации, что ее плотность хранения достигнет атомарного уровня.

Не обошла наноэлектроника и плазмотронику. Коллективные колебания свободных электронов внутри металла имеют характерную длину волны плазмонного резонанса порядка 400 нм (для частицы серебра размером 50 нм). Развитие наноплазмоники, можно считать, началось в 2000 году, когда ускорился прогресс в совершенствовании технологии создания наночастиц.

Оказалось, что передавать электромагнитную волну можно вдоль цепочки металлических наночастиц, возбуждая плазмонные осцилляции. Такая технология позволит внедрить в компьютерную технику логические цепочки, способные работать намного быстрее, и пропускать больше информации, чем традиционные оптические системы, причем размеры систем будут значительно меньше принятых оптических.

Лидерами в области наноэлектроники, и электроники вообще, сегодня являются Тайвань, Южная Корея, Сингапур, Китай, Германия, Англия и Франция.

Самую современную электронику производят сегодня в США, а самый массовый производитель высокотехнологичной электроники — Тайвань, благодаря инвестициям японских и американских компаний.

Китай — традиционный лидер в сфере бюджетной электроники, но и здесь ситуация постепенно меняется: дешевая рабочая сила привлекает инвесторов от высокотехнологичных компаний, которые планируют наладить в Китае свои нанопроизводства.

Хороший потенциал есть и у России. База в области СВЧ, излучательных структур, фотоприемников, солнечных батарей и силовой электроники позволяет в принципе создавать наукограды наноэлектроники и развивать их.

Этот потенциал требует экономических условий и организации для проведения фундаментальных исследований и научных разработок. Все остальное есть: технологическая база, перспективные кадры и научная квалифицированная среда. Необходимы лишь крупные инвестиции, а это зачастую оказывается ахиллесовой пятой.

Источник

Наноэлектроника – достижения и перспективы

Термин «наноэлектроника» относительно новый и пришел на смену более привычному для старшего поколения термину «микроэлектроника», под которым понимали передовые для 60-х годов технологии полупроводниковой электроники с размером элементов порядка одного микрона

Однако наноэлектроника связана с разработкой архитектур и технологий производства функциональных устройств электроники с топологическими размерами элементов на порядки меньше, не превышающими 100 нм, а иногда и 10 нм.

Уже в 70–80 годы в полупроводниковую технику вошли такие наноразмерные структуры как гетеропереходы, сверхрешетки, квантовые ямы и квантовые точки, синтезируемые на основе многокомпонентных соединений изменяющегося состава. Для их создания были разработаны соответствующие технологические процессы, представляющие собой логическое развитие и совершенствование полупроводниковой классики: эпитаксии, диффузии, имплантации, напыления, окисления и литографии. В производство электронных компонентов стали внедряться такие технологии, как молекулярно-лучевая эпитаксия, ионно-плазменная обработка, ионно-лучевая имплантация, фотонный отжиг и многие другие.

Метод сканирующей туннельной микроскопии,изобретенный в начале 80-х, основан на квантовом туннелировании. Иглы-зонды из металлической проволоки подвергаются предварительной обработке (такой, как механическая полировка, скол или электрохимическое травление) и последующей обработке в сверхвысоковакуумной камере. Если приложить напряжение между иглой и образцом, то через промежуток потечет туннельный ток. Приложив несколько большее, чем при сканировании, напряжение между поверхностью объекта и зондом, можно добиться того, что к зонду притянутся один или несколько атомов, которые можно поднять и перенести на другое место. Прикладывая к зонду определенное напряжение, можно заставить атомы двигаться вдоль поверхности или отделить несколько атомов от молекулы. Именно так была в 1990 году сделана знаменитая надпись IBM из 35 атомов ксенона.

В отличие от сканирующего туннельного микроскопа, с помощью атомно-силового микроскопа можно исследовать как проводящие, так и непроводящие поверхности. Кроме того, с помощью атомно-силового микроскопа можно изучать взаимодействие двух объектов: измерять силы трения, упругости, адгезии, и, так же, как и с помощью туннельного, перемещать отдельные атомы, осаждать и удалять их с какой-либо поверхности.

Следующим открытием, по мнению многих ученых, определившим облик электронных схем будущего, стало появление нанотрубок и графена.

Уже сейчас микроэлектронной промышленностью в опытном порядке создаются транзисторы с размером рабочих элементов 20–30 нм. Они еще способны работать с обычными электрическими сигналами.

Первые работающие прототипы нанотранзисторов созданы еще 10 лет назад. В 2001 г. IBM представила первый одноэлектронный транзистор на базе нанотрубок. По мнению специалистов из IBM Research, в идеале нанотрубкой в таком транзисторе будет заменяться только элемент доступа. При этом исток, сток и сама архитектура транзистора остаются без изменений. Одна из особенностей нанотранзистора заключается в улучшенной емкостной связи между нанотрубкой и затвором, которая усиливает донорство как электронов, так и дырок, а также распространение заряда вдоль нанотрубки на большие расстояния.

Проводящий канал транзистора (остров) отделён от стока истока туннельными барьерами из тонких слоёв изолятора, при этом размеры острова – 10 нм. Важной особенностью этого транзистора является то, что он функционирует при комнатной температуре, а, как известно, быстродействие и размеры компьютерных микросхем ограничены тем, сколько теплоты они выделяют. Это явление носит название резистивного нагрева.

Еще одной областью, в которой старые методы уступают место нанотехнологиям, является создание накопителей информации.

Одним из подходов является создание схем одноэлектронной памяти, где два-три электрона хранят один бит информации (в современной микроэлектронной памяти для хранения одного бита информации задействовано около 10.000 электронов).

Другая идея нанопамяти подсказана принципом считывания обычного патефона, в котором игла считывает аналоговую информацию. В цифровом варианте единице и нулю соответствуют ямки, выдавленные в полимерном носителе. Ширина каждой ямки – около 40 нм, а глубина – не более 25 нм. Запись осуществляется с помощью щупа высоко допированного кремниевого кантилевера путем локального разогрева – щуп выдавливает ямки в полимере. Считывание осуществляется с помощью того же щупа. Нагрев меняет электрическое сопротивление, что фиксируется и преобразуется в цифровой сигнал. Таким образом, в один квадратный сантиметр можно вместить порядка 500 гигабит информации.

Мы видим, что переход к наноэлектронике в определенной степени базируется на достижениях микроэлектроники – использование уменьшающихся до атомарных размеров транзисторов и диодов и собранных из них схем. В то же время будущее сулит новые достижения на основе новых принципов работы на уровне отдельных атомов – использование квантовых эффектов, волновых свойств электрона и других явлений наномира.

Термин «наноэлектроника» относительно новый и пришел на смену более привычному для старшего поколения термину «микроэлектроника», под которым понимали передовые для 60-х годов технологии полупроводниковой электроники с размером элементов порядка одного микрона.

С «надвигающимся» Новым годом и другими праздниками! Счастья, здоровья и новых успехов.

Источник

Наноэлектроника

Вы будете перенаправлены на Автор24

Задачи наноэлектроники

Наноэлектроника – это область техники и науки, которая занимается созданием электронных приборов с нанометровыми размерами составляющих, в основе функционирования которых лежат квантовые эффекты

Наноэлектроника представляет собой область науки и техники, которая базируется на достижениях квантовой электроники, физики твердого тела, теории полупроводников, а также физической химии. Исследования в области наноэлектроники играют важную роль в разработке новых тенологий и нового поколения сверхминиатюрных и максимально быстродействующих систем обработки данных. К основным задачам современной наноэлектроники относятся:

Особенность современных приборов и устройств наноэлектроники заключается в использовании не только классических физических явлений, но и квантовых эффектов, являющихся паразитными в работе обычных транзисторов.

Методы формирования наноэлектронных структур

Методы формирования наноэлектронных структур делятся на:

Первоначально традиционные методы осаждения пленок были разработаны для микроэлектроники, но позже нашли применение и в разработке наноэлектронных структур. Химический метод осаждения из газовых сфер активно и широко применяется для создания полупроводниковых эпитаксиальных структур. Молекулярно-лучевая эпитаксия аналогичная химическому осаждению из газовых сфер, единственное отличие заключается в том, что она осуществляется при сверхвысоком вакууме. Локальное осаждение металлов и полупроводников позволяет осуществлять локальное окисление подложки, а сам процесс схож с электрическим анодным окислением.

Готовые работы на аналогичную тему

В нанолитографии используются два основных технологических подхода. Первый основан на использовании рентгеновской, электронно-лучевой и оптической литографии, а второй на применении сканирующего зонда. Электронно-лучевая литография сочетает в себе высокое разрешение с достаточной производительностью, благодаря чему метод широко распространен при массовом производстве. Нанопечать является новым направлением в формировании наноэлектронных структур, которое сочетает низкую стоимость и простоту. У нее имеется два подхода. Чернильная печать подразумевает нанесение чернил на штамп, после чего он отпечатывается механически на подложке. При применение метода тиснения происходит механическое вдавливание жесткого штампа в полимерную пленку резиста. При перьевой нанолитографии используется сканирующий зонд силового атомного микроскопа.

Наноэлектронные приборы и устройства

В наноэлектронных устройствах и приборах используются предельные возможности магнитных, механических, биологических и электрических систем. В основе работы наноэлектронных устройств лежат волновые свойства электрона, а также связанные с данным явлением физические эффекты. В последнее время наноэлектронные составляющие по своим характеристикам (миниатюрность, быстродействие, потребляемая мощность) составляют серьезную конкуренцию полупроводниковым транзисторам и интегральным схемам, выполненным на их основе, являющимися главными элементами информационных систем. Использование однофотонных и одноэлектронных элементов для создания информационных систем ограничено недостаточной изученностью и отсутствием пригодных технологий для массового производства, которые позволяли бы конструировать структуры из отдельных атомов, пока такие возможности существуют только в исследовательских лабораториях.

В будущем развитие нанотехнологий и наноструктур позволит получить приоры и материалы с новыми уникальными свойствами, что позволит решить актуальные задачи электроники в целом и в отдельных отраслях промышленности. В машиностроении это позволит увеличить ресурс обрабатывающих и режущих инструментов, в автомобилестроении использование наноэлектронных приборов и материалов позволит увеличить ресурс работы автотранспорта и т.п. Таким образом развитие современной наноэлектроники напрямую связано с темпами научно-технического прогресса.

Источник

Наноэлектроника. Что это такое и как она работает?

Область электроники, занимающаяся разработкой технологических и физических основ построения интегральных электронных схем с размерами элементов менее 100 нанометров, называется наноэлектроникой. Сам термин наноэлектроника отражает переход от микроэлектроники современных полупроводников, где размеры элементов измеряются единицами микрометров, к более мелким элементам — с размерами в десятки нанометров.

Наноэлектроника

С переходом к наноразмерам, в схемах начинают доминировать квантовые эффекты, открывающие множество новых свойств, и, соответственно, знаменующие собой перспективы их полезного использования. И если для микроэлектроники квантовые эффекты зачастую оставались паразитными, ведь например с уменьшением размера транзистора его работе начинает мешать туннельный эффект, то наноэлектроника напротив — призвана использовать подобные эффекты как основу для наногетероструктурной электроники.

Каждый из нас ежедневно пользуется электроникой, и наверняка многие люди уже замечают некоторые однозначные тенденции. Память в компьютерах увеличивается, процессоры становятся производительнее, размеры устройств уменьшается.

С чем это связано?

Уменьшение размеров разных устройств

В первую очередь — с изменением физических размеров элементов микросхем, из которых все электронные устройства по сути и строятся. Хоть физика процессов остается на сегодняшний день приблизительно такой же, размеры устройств становятся все меньше и меньше. Крупный полупроводниковый прибор работает медленнее и потребляет больше энергии, а нанотранзистор — и работает быстрее, и энергии потребляет меньше.

Известно, что все вещественные тела состоят из атомов. И почему бы электронике не достичь атомного масштаба? Эта новая область электроники позволит решать такие задачи, которые на обычной кремниевой базе просто принципиально невозможно решить.

Монослойные материалы

Большой интерес вызывает сейчас графен и подобные ему монослойные материалы (смотрите статью — Графеновые аккумуляторы. Перспективы практического применения графена). Такие материалы в один атом толщиной обладают замечательными свойствами, которые можно комбинировать для создания различных электронных схем.

Например технологии связанные с зондовой микроскопией позволяют строить на поверхности проводника в сверхвысоком вакууме разнообразные структуры из отдельных атомов, просто переставляя их. Чем не основа для создания одноатомных электронных устройств?

Нано-процессор

Манипуляции веществом на молекулярном уровне уже затронули многие отрасли промышленности, не обошли они и электронику. Микропроцессоры и интегральные микросхемы строятся именно так. Ведущие страны вкладываются в дальнейшее развитие данного технологического пути — чтобы переход на наноуровень происходил быстрее, шире, и совершенствовался бы далее.

Кое-какие успехи, кстати уже достигнуты. Intel в 2007 году заявила, что процессор на базе структурного элемента размером в 45 нм разработан (представили VIA Nano) и следующим шагом будет достичь 5 нм. IBM собираются добиться 9 нм благодаря графену.

Углеродные нанотрубки

Углеродные нанотрубки

Углеродные нанотрубки (графен), это один из наиболее перспективных наноматериалов для электроники. Они позволяют не только уменьшить размеры транзисторов, но и придать электронике поистине революционные свойства, как механические, так и оптические. Нанотрубки не задерживают свет, подвижны, сохраняют электронные свойства схем.

Особенно творческие оптимисты уже предвкушают создание портативных компьютеров, которые можно будет словно газету достать из кармана, или носить в виде браслета на руке, и по желанию как газету развернуть, и весь компьютер будет словно раскладной сенсорный экран высокого разрешения толщины бумаги.

Квантовомеханический эффект сверхвысокого магнитного сопротивления

Эффект сверхвысокого магнитного сопротивления

Еще одна перспектива для приложения нанотехнологий и применения наноматериалов — разработка и создание жестких дисков нового поколения. Альберт Ферт и Питер Грюнберг в 2007 году получили нобелевскую премию за открытие квантовомеханического эффекта сверхвысокого магнитного сопротивления (GMR-эффекта), когда тонкие пленки металла из чередующихся проводящих и ферромагнитных слоев значительно изменяют свое магнитное сопротивление при изменении взаимного направления намагниченности.

Управляя при помощи внешнего магнитного поля намагниченностью структуры, можно создавать настолько точные датчики магнитного поля, и осуществлять такую точную запись на носитель информации, что ее плотность хранения достигнет атомарного уровня.

Плазмотроника

Плазмотроника

Не обошла наноэлектроника и плазмотронику. Коллективные колебания свободных электронов внутри металла имеют характерную длину волны плазмонного резонанса порядка 400 нм (для частицы серебра размером 50 нм). Развитие наноплазмоники, можно считать, началось в 2000 году, когда ускорился прогресс в совершенствовании технологии создания наночастиц.

Оказалось, что передавать электромагнитную волну можно вдоль цепочки металлических наночастиц, возбуждая плазмонные осцилляции. Такая технология позволит внедрить в компьютерную технику логические цепочки, способные работать намного быстрее, и пропускать больше информации, чем традиционные оптические системы, причем размеры систем будут значительно меньше принятых оптических.

Развитие наноэлектроники в современном мире

Лидерами в области наноэлектроники, и электроники вообще, сегодня являются Тайвань, Южная Корея, Сингапур, Китай, Германия, Англия и Франция.

Самую современную электронику производят сегодня в США, а самый массовый производитель высокотехнологичной электроники — Тайвань, благодаря инвестициям японских и американских компаний.

Китай — традиционный лидер в сфере бюджетной электроники, но и здесь ситуация постепенно меняется: дешевая рабочая сила привлекает инвесторов от высокотехнологичных компаний, которые планируют наладить в Китае свои нанопроизводства.

Хороший потенциал есть и у России. База в области СВЧ, излучательных структур, фотоприемников, солнечных батарей и силовой электроники позволяет в принципе создавать наукограды наноэлектроники и развивать их.

Этот потенциал требует экономических условий и организации для проведения фундаментальных исследований и научных разработок. Все остальное есть: технологическая база, перспективные кадры и научная квалифицированная среда. Необходимы лишь крупные инвестиции, а это зачастую оказывается ахиллесовой пятой…

Источник

Сегодня и завтра наноэлектроники

С самого своего рождения микро- и наноэлектроника развивается такими бешеными темпами, как никакая другая отрасль. И все это происходит буквально на наших глазах. К примеру, каждые два года мы в принципе должны выбрасывать свои сотовые телефоны и покупать новые, потому что элементная база реально меняется в два раза. Эту эмпирическую закономерность установил один из основателей корпорации Intel, Г. Мур в середине 1960-х гг. Согласно «закону» Мура, каждые два года число транзисторов на микросхеме удваивается. И этот «закон» до сих пор успешно работает, хотя с 2008 г. темп роста немного замедлился.

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.

Все дело в том, что в микроэлектронике скорость процесса связана с геометрическим размером. Если у вас переключается транзистор большого размера, это аналогично тому, что вы заливаете и выливаете воду в бассейн — быстро не получится. А если взять, скажем, капельку, то ее можно «перебрасывать» с гораздо большей частотой. Так и здесь: чем меньше размер транзистора, меньше емкость, тем быстрее идут процессы. И когда размеры уменьшаются в два раза, частота наших процессов возрастает вдвое. Все тот же «закон» Мура.

«Закон» Мура в действии. Изображение: habr.com

Мир в двоичном коде

У этого МДП-транзистора с индуцированным каналом N-типа есть только два состояния: открыт — закрыт

Все, чем мы сегодня пользуемся, — связь, компьютер, интернет — все это обеспечивает маленькая структура, которая называется транзистор. Биполярный транзистор, полупроводник, стандартная МДП-структура, металл-диэлектрик-полупроводник. У него есть два состояния: когда вы прикладываете напряжение на базу, то он, в зависимости от полярности, то пропускает, то не пропускает ток. Есть ток — нет тока, открыто — закрыто. По сути, это двоичный цифровой код «1–0», который сегодня используют все компьютеры.

На пластине кремния собирают чип из миллиардов транзисторов, соединенных определенным образом. Когда мы нажимаем клавишу (например, чтобы набрать какую-нибудь букву), один транзистор подает сигнал другим, и они начинают «общаться» на языке «двоичного кода», в результате чего формируется определенная комбинация состояний, которая сохраняется в памяти. Процессы переключения транзисторов увидеть невооруженным глазом нельзя — это сложные разветвленные многоуровневые коммуникации электронных переключателей, которые не видны и в оптический микроскоп. В первой коммерческой микросхеме кроме кремния использовались несколько химических элементов, сейчас — практически вся таблица Менделеева.

Работа на будущее

Что позволило добиться таких успехов? В микроэлектронике есть критическая технологическая операция, связанная с задачей уменьшения линейных размеров элементов микросхем. Другими словами, получение структур с настолько малыми размерами, какие мы еще можем нарисовать. Одна из наиболее распространенных технологий «рисования» — литография. В полиграфии так называют способ печати, при котором краска с плоской печатной формы (камня) переносится под давлением на гладкую поверхность (бумагу).

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.

Когда однажды мне пришлось общаться с сотрудниками Intel, я узнал, что у них в размерном диапазоне уже есть задел на 15 лет вперед! То есть на самом деле они уже сейчас могли бы сделать огромный прорыв в изготовлении микросхем, но тогда у них не было бы «запаса» на будущее. Уже существуют коммерческие фабрики, где производят кремниевые элементы размером 5 и 7 нм. В перспективе же идет к размеру одного атома!

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.

Человеческий мозг содержит около 200 млрд нервных клеток, которые соединяются друг с другом сотнями триллионов синапсов. Каждый такой синапс содержит около тысячи молекулярных «переключателей», своего рода аналоговых транзисторов. Один человеческий мозг по сложности равен примерно всей современной мировой ИТ-инфраструктуре (Micheva et al., 2010). При сохранении таких темпов развития микроэлектроники в 2035 г. одна микросхема будет содержать уже триллион транзисторов. И если так пойдет дальше, а я не вижу причин для остановки, то искусственный интеллект вполне может стать реальностью.

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.

Как известно, в полупроводниках есть два типа носителей противоположного заряда: p — «дырки» (положительного), n — электроны (отрицательного). Когда, приложив напряжение, мы создаем p—n-переход, то дырки пойдут в одну сторону, электроны — в другую. На границе раздела они могут встречаться и аннигилировать. При этом свет может выделиться, а может и нет. Рекомбинация может быть как излучательной, так и безызлучательной. И во втором случае вы ничего не увидите.

Чтобы появился свет, надо, чтобы у полупроводника была такая ширина запрещенной зоны, чтобы образовавшиеся фотоны имели длину волны, видимую глазу. Проблема в том, что такие материалы слишком дороги, либо для них имеются еще какие-то ограничения, например, квантовая эффективность, внутренняя и внешняя. Внутренняя — это сколько фотонов появилось при аннигиляции одной пары на границе раздела. При этом эту границу нужно еще «дотащить» до края полупроводника, чтобы все засветилось, а дополнительные потери понизят эффективность. Если же в материале окажутся какие-то ненужные примеси или структурные дефекты, то вместо того, чтобы «делать свет», электронно-дырочные пары будут релаксировать другим способом.

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.

Все это — самые передовые полупроводниковые технологии создания низкоразмерных систем, но при этом и самые дорогостоящие. Японцы же ориентировались в первую очередь на промышленность, поэтому базировались на доступных, не требующих больших вложений методах. Поэтому их прорывной результат в виде «голубого луча» светодиода сразу же нашел широкое применение на практике.

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

С Хироси Амано я познакомился в 2015 г., когда в качестве почетного гостя Международного форума технологического развития «Технопром» он посетил наш институт, где провел целый день. Тогда-то мы и выяснили, что в далекие 1990-е мы могли «пересечься» в Японии.

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

Также была заключена договоренность об обмене студентами по программам мобильности между Новосибирским государственным университетом и Нагойским университетом. Это очень важно, так как эволюция научных школ невозможна без движения и даже турбуленции. Это понимаем мы, это понимает «мастер» светодиодов Амано. Сам он сейчас ищет пути сделать свой светодиод многократно мощнее, чтобы многократно расширить его возможности приносить пользу человечеству.

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.

Источник