Лого Сделано у нас
44

Российские ученые разработали новую технологию создания быстродействующих интегральных схем


 Источник фото: canalblog.com




Сотрудники НОЦ «Квантовые приборы и нанотехнологии» ФИАН и МИЭТ разработали технологию получения быстродействующей электронной компонентной базы нового поколения на основе квантовых эффектов резонансного туннелирования. Речь идет о технологии монолитной планарной интеграции резонансно-туннельных диодов, полевых транзисторов и диодов Шоттки. Она позволяет существенно увеличить быстродействие, снизить количество активных элементов цифровых интегральных схем и полностью совместима со стандартной технологией арсенид-галлиевых интегральных схем.

История твердотельной электроники началась с изобретения транзистора в 1947 году. С тех пор развитие электроники идёт по пути повышения быстродействия и увеличения плотности компоновки активных приборов в интегральной схеме, что достигается уменьшением их характерных размеров. На этом, более чем полувековом пути решались в основном технологические проблемы, однако уже в ближайшие годы ожидается появление трудностей фундаментального характера, которые обусловлены тем, что размеры приборов уменьшились настолько, что достигли значений длины волны электрона в полупроводниках, то есть нескольких десятков нанометров.

«Если длина волны электрона становится сравнимой с характерным размером прибора, например, с размером затвора полевого транзистора, то электрон ведёт себя как волна — возникают явления интерференции и дифракции. Поток электронов в таком приборе уже не описывается простой гидродинамической моделью, подобно потоку воды в трубе с краном, роль которого в транзисторе выполняет затвор. Тут уместны уже другие аналогии, например, распространение волн по поверхности воды. Если поперёк направления распространения волн поместить плоскую пластинку — аналог затвора в полевом транзисторе, то волны будут частично отражаться от пластинки и складываться с падающими волнами — явление интерференции, а частично огибать пластинку и проходить дальше — явление дифракции. И возникает большой вопрос — а будет ли вообще это устройство работать как транзистор? Или все выльется в „игрушку“ для нескольких продвинутых физиков, не имеющую никакого прикладного значения?», — говорит заведующий лабораторией молекулярно-пучковой эпитаксии ФИАН, кандидат физ.-мат. наук Игорь Казаков.

Для выхода из сложившейся ситуации необходим переход к новым физическим принципам и трёхмерной интеграции приборов в интегральной схеме. Сотрудники научно-образовательного центра «Квантовые приборы и нанотехнологии» ФИАН-МИЭТ под руководством академика Юрия Васильевича Копаева и члена-корреспондента Александра Алексеевича Горбацевича развивают направление квантово-классических интегральных схем. Это направление подразумевает, что электронные приборы, работающие на классических физических принципах, — например, транзистры и диоды — будут монолитно интегрированы с приборами, построенными на квантовых принципах резонансного туннелирования, — резонансно-туннельными диодами, сверхрешётками.

«Интегрированы» — означает «расположены в одной интегральной схеме», а «монолитно» — то есть «изготовлены в объёме одного полупроводникового кристалла». В отличие от гибридной технологии, где отдельные готовые приборы «приклеиваются» на интегральную схему, монолитные интегрированные структуры, которые получаются в процессе эпитаксиального роста, более перспективны. Они обеспечивают более высокую плотность компоновки приборов, позволяют избавиться от мелких структурных элементов, межсоединений и применять наиболее производительные групповые методы изготовления интегральных схем", — поясняет Игорь Петрович.

Одним из наиболее перспективных направлений в функционально интегрированной электронике является использование эффекта резонансного туннелирования. Именно в этом направлении в твердотельной электронике достигнуты мировые рекорды по быстродействию, сравнимые с быстродействием сверхпроводящих устройств. Простейшим электронным прибором такого типа является резонансно-туннельный диод (РТД), обладающий способностью мгновенно (за время порядка 1 пс) переключаться из одного устойчивого состояние в другое благодаря своеобразной вольт-амперной характеристике (ВАХ), имеющей N-образный вид.


 Источник фото: fian-inform.ru



Вольт-амперная характеристика резонансно-туннельного диода

Важно, что достижение такого высокого быстродействия возможно в РТД, латеральные размеры которого порядка 0,1 мкм, а не десятки нанометров, как затворы современных полевых транзисторов. Это позволяет создавать приборы с высоким быстродействием даже на оборудовании 20-летней давности.

«Для России это в какой-то мере шанс проявить себя в области мировых передовых разработок элементной базы электроники, где наши позиции 60-70-х годов, как страны-производителя абсолютно всей номенклатуры электроники гражданского и военного назначения, были утеряны. За всю историю таких самодостаточных „электронных империй“ было только две — СССР и США, даже Япония в военной электронике им уступала. И если в технологическом плане мы сейчас настолько отстали, что просто экономически не выгодно „поднимать всё с нуля“, рассчитывая только на свои разработки, то физические школы у нас ещё сохранились на очень высоком уровне», — говорит Казаков.

Итак, схемы на функционально интегрированных элементах РТД/транзистор могут быть спроектированы с меньшим количеством компонентов, обладать более высоким быстродействием и меньшей потребляемой мощностью, чем схемы на транзисторах. Исследования по функциональной интеграции резонансно-туннельных диодов, полевых транзисторов и диодов Шоттки требуют разработки всего комплекса технологических и метрологических методов и устройств, обеспечивающих выращивание гетероструктур на основе GaAs высокого качества с непрерывным контролем поверхности роста и последующее изготовление интегральных схем на их основе. В НОЦ ФИАН-МИЭТ такой комплекс был создан, также уже созданы первые опытные образцы базовых элементов цифровых интегральных схем — инвертора и компаратора. Одним из важнейших результатов этой работы является разработка методики оптического мониторинга процесса выращивания полупроводниковых гетероструктур с толщиной отдельных слоёв менее 5 нм методом анизотропного отражения, позволяющая контролировать толщину с разрешением в 1 монослой в реальном масштабе времени, что крайне важно для изготовления РТД. Эта работа ФИАНовских физиков была отмечена в числе наиболее значимых достижений, полученных в мире с использованием оборудования производства компании LayTec (для этого использовался спектрометр EpiRAS IR TT фирмы LayTec, смонтированный на ФИАНовской установке молекулярно-пучковой эпитаксии).
В настоящее время в Физическом институте им. П.Н.Лебедева РАН заканчивается строительство нового помещения для лаборатории молекулярно-пучковой эпитаксии с самым современным технологическим оснащением и необходимым уровнем чистоты (класса 1000 с локальными зонами класса 100). В этом особо чистом помещении будут размещены две современные установки молекулярно-пучковой эпитаксии фирмы RIBER для выращивания полупроводниковых гетероструктур и установка для производства жидкого азота.

По совокупности технического оснащения и уровню чистоты производственных помещений аналогов такой лаборатории в России нет.

/15.11.2011/ По материалам АНИ " ФИАН-информ "

  • 0
    Нет аватара Максим Жирнов
    16.11.1115:42:04
    интересно в Японии такие исследования проводиться.
  • 0
    Нет аватара sobolevna
    16.11.1122:55:13
    Фактически это небольшой шаг к вантовому компьютеру. Зная небольшую особенность нашей технологической традиции -- находить нетривиальные решения в обход основного тренда -- можно сказать, что мы можем по квантовым компьютерам обогнать весь мир.
    • 0
      Нет аватара MrFFFix
      17.11.1108:25:07
      потом это купит (а может уже купила?) западная компания, доведет до ума, а мы купим у нее уже готовые решения за огромные бабки, вместо того чтоб самим вложиться в СВОИ разработки и довести их до финала...
      • 0
        Нет аватара Шевченко Максим
        17.11.1110:30:53
        Зачем так плохо думать о собственном народе? Да мы еще только учимся доводить собственные изобретения до коммерческой реализации, но научимся, будьте уверены!
        • 0
          Нет аватара MrFFFix
          17.11.1110:35:34
          надеюсь... но вспоминая что говорил Д.А.М. студентам на вопрос финансирования науки - в науке находятся по призванию, если вы хотите денег идите в бизнесс... после этого я нашего ДАМ как президента не воспринимаю! Отредактировано: MrFFFix~09:45 17.11.2011
  • 0
    Нет аватара bumblebee
    17.11.1113:08:04
    Отличная новость, у нас появился еще 1 шанс оторваться от остального мира в этой области, надеюсь в этот раз мы его не упустим
  • 0
    Нет аватара mihey
    17.11.1114:03:43
    Очень хорошая новость! Молодцы! чуть более расширено про Резонансно-туннельный диод
  • 0
    Владимир Павлов Владимир Павлов
    17.11.1114:28:39
    Молодцы! Рад за российских учёных! Хоть какие-то положительные эмоции от вашего сайта!    
  • 0
    Нет аватара 1smena
    17.11.1114:45:00
    интересная новинка..Правда без подробностей. http://www.inop...upercamera.html Отредактировано: 1smena~13:46 17.11.2011
  • 0
    Нет аватара mihey
    17.11.1114:59:01
    Надеюсь, что и следующий грандиозный российский проект будет успешно реализован! Честь и почёт всем учёным, инженерам, конструкторам и изобретателям, кто в тяжелые 90-ые годы не бросил свою страну, несмотря на очень трудные для науки времена, и продолжил своё интеллектуальное ремесло; кто передал опыт подрастающему поколению, не позволив всем нам оказаться в каменном веке научного мира! Отредактировано: mihey~14:05 17.11.2011
  • 0
    Нет аватара Максим Жирнов
    17.11.1118:23:14
    я дождусь того момента когда Россия начнет делать экб лучше всяких Японии и США
  • 0
    Zveruga Zveruga
    14.03.1222:01:45
    К сожалению галлиевая микроэлектроника наверно никогда не станет ширпотребом в отличии от кремниевой.
Написать комментарий
Отмена
Для комментирования вам необходимо зарегистрироваться и войти на сайт,