Как создаются гетероструктуры для принципиально новых датчиков

В Новосибирском государственном университете ведущие специалисты в области полупроводниковой микроэлектроники и нанотехнологий обсудили их текущее состояние и перспективы развития в России.

Установка молекулярно-лучевой эпитаксии — оборудование собственного производства ИФП СО РАН

Россия — страна, давшая миру ученого, который получил Нобелевскую премию за открытие полупроводниковых гетероструктур. Новосибирск — город, где разработаны уникальные для России полупроводниковые технологии. Некоторые из них удалось успешно реализовать в период активного сотрудничества с крупными зарубежными компаниями, другие технологии освоены на отечественных предприятиях, но многие все еще ждут своего часа. Сотрудники Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН академики Александр Асеев и Александр Латышев, а также руководители научно-производственных предприятий и институтов РАН поделились видением ситуации.

Тысячи километров в минуту

Погружаясь все глубже в цифровую эру, люди окружают себя огромным количеством единиц и нулей, от которых зависят результаты каждого из их действий, платят ли они за услуги, бронируют ли билеты, принимают ли участие или просто пользуются интернетом. Каждое действие сопровождается последовательностью нулей и единиц — то, что называется двоичным кодом. Виноват во всем полевой транзистор, у которого есть только два положения — открыт (1) или закрыт (0).

Если взять транспортную карту на проезд и снять с нее всю пластиковую и бумажную основу, вы увидите небольшой черный кристалл. Затем с помощью сканирующей электронной микроскопии вы увидите в нем много полос. Это еще не транзисторы, а только нанометровая разводка. Если же разрезать кристалл фокусирующими ионными пучками, то лишь тогда вы увидите внутри, в сечении, в самом нижнем слое транзисторы. Эти транзисторы в большем или меньшем количестве — микронные или нанометровые — стоят везде, где используются цифровые технологии.

Чтобы понять темпы развития микроэлектроники, лучше всего сравнить их для наглядности со скоростью железнодорожных поездов, не имея в виду обидеть ОАО РЖД, а пытаясь максимально доступно донести мысль. 40 лет назад поезд Новосибирск—Москва шел 70 часов, спустя десятки лет — около 50 часов, и даже на скоростном «Сапсане» он шел бы 17 часов. Если провести аналогию с мировыми темпами развития микроэлектроники, то сегодня поезд до Москвы должен был бы идти одну минуту.

В мире нет экономики или технологии, которая развивалась бы такими же колоссальными темпами. Современный полупроводниковый чип — это сотни миллиардов транзисторов, а в 2035 году, по прогнозам, он достигнет тысячи миллиардов или одного триллиона транзисторов. Между тем мозг человека содержит 80 млрд нейронов. С транзисторами их сравнивать не нужно, но для понимания количества элементов в структуре это сравнение уместно. Место разработки современных технологий — Силиконовая долина в США, но самого современного производства там нет. Все микро- и наноэлектронное производство размещено в Азии. Передовые производства — тайваньские, в частности, фабрика TSMС. Организовавший ее китаец долго работал в США и затем уехал на Тайвань, чтобы построить там фабрику.

Академик Александр Латышев

Гонка за нанометрами

В России тоже есть свои производства. Например, завод «Микрон» в Зеленограде недавно сообщил, что они сделали технологию на 65 нанометров. Предыдущая была 90 нм — это 5 тыс. операций и 1 тыс. контрольных измерений. TSMC сегодня запускает технологию производства наночипов размером 3 нм. Запустить подобное производство стоит около миллиарда долларов. Если построить к этой линии собственный кремниевый завод, он будет стоить $20 млрд. Такие расходы можно оправдать только огромным объемом на мировом рынке и отсутствием конкурентов. Ни одна частная компания такой объем не осилит, только госинвестиции.

Нигде в Европе не производят персональные компьютеры и смартфоны, поскольку для создания полупроводниковой промышленности нужны государственные вложения — около $150 млрд — плюс существенные налоговые льготы. Ни одна страна Евросоюза такое себе позволить не может, поэтому всю цифровую электронику они покупают за границей. А вот, например, для автопрома такие микроэлектронные компоненты не нужны, значит, можно делать ставку на эту экономическую нишу.

Для России тоже нет смысла участвовать в гонке за нанометрами, но свои фабрики микроэлектроники и производства кремния необходимы. В 2022 году в США был принят закон о чипах, который запрещает трансфер оборудования, материалов и технологий для производства микроэлектроники в Азию и конкретно в Китай. России сегодня также имеет смысл ориентироваться на импортозамещение и создание собственной компонентной базы.

Самый совершенный материал

Монокристаллический кремний — самый чистый и совершенный материал в истории человечества. В современной жизни он окружает нас повсюду, во всех приборах — от мобильных телефонов и компьютеров до микроволновых печей, холодильников, в лазерах, светодиодах, фототранзисторах, навигационных системах, солнечных батареях и радиосвязи. Дискретные полупроводниковые приборы, интегральные схемы, процессоры, микропроцессоры, нанопроцессоры и, наконец, квантовые биты — так выглядит стремительный взлет развития полупроводниковой микроэлектроники, который состоялся буквально за пару десятилетий.

Сегодня монокристаллический кремний стал общедоступен, его стоимость упала в 20 раз по сравнению с ценами 1990-х годов в основном благодаря китайским производствам. Кремниевые микросхемы выпускают уже по технологическим нормам в единицы нанометров, и эта технология составляет в настоящее время 30% мирового рынка микроэлектроники. Конструкция современного чипа претерпела существенное изменение, планарный транзистор ушел в третье измерение и уже активно используется в массовом производстве компаниями TSMC, Intel, IBM и Samsung. Дальнейший прогресс следует ожидать от сочетания традиционной микроэлектроники с твердотельной нанофотоникой, когда информацию доносят не только медленные электроны, но и супербыстрые фотоны. Академик Александр Латышев отметил, что развитие технологии квантовых устройств сегодня напрямую зависит от перехода на технологию твердотельной нанофотоники от супердорогой технологии сверхпроводников.

Закон Мура (согласно которому количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 24 месяца) в этом смысле можно назвать не совсем физическим. Скорее это закон рентабельности технологий и сохранения производительности чипов. Предложенная перечисленными чуть выше компаниями технология вдвое повышает производительность интегральных микросхем и на 85% снижает энергопотребление. Новая структура микросхем призвана довести их чуть не до атомных размеров. Но на этом рынке очень жесткая конкуренция, и для обеспечения лидерства принципиально необходимо иметь собственные профильные разработки и производства.

Один из лучших результатов советской науки в области лазерной физики и микроэлектроники — это, безусловно, Нобелевская премия академика Жореса Ивановича Алферова, который разработал полупроводниковые гетероструктуры и создал быстрые опто- и микроэлектронные компоненты. Открытые им идеи реализованы и в проигрывателях компакт-дисков, и в солнечных батареях на космической станции. СССР в 1960-е годы был третьей державой по микроэлектронике после США и Японии. В Белоруссии больших успехов в те годы добился научно-производственный холдинг «Планар», который был активно поддержан Китаем в тяжелые 1990-е годы, и многие советские разработки были тогда скопированы и растиражированы. Крупные державы будут вынуждены принимать участие в гонке развития микроэлектронной отрасли, и рано или поздно придется в нее включиться. И проще всего это будет сделать тем, кто продуктивно сотрудничал с ведущими мировыми лидерами в этой области.

Разработки ИФП СО РАН

Работа в чистых помещениях ИФП СО РАН

Основа всей микроэлектроники — это полупроводниковые пластины чистого кремния. От их оптической чистоты зависит уровень развития всей отрасли микроэлектроники в стране. Микроэлектроника — это высококачественные кремниевые пластины плюс нанолитография. В Сибири были построены два завода для производства кремниевых пластин диаметром 200 мм — Красноярский кремниевый завод «Росатома» и кремниевый завод корпорации «Роснано» в Усолье-Сибирском, бывшее предприятие Минхимпрома. Объединить усилия этих производств не получилось, и тогда лидерами микроэлектронных производств стали Китай и Германия (всемирно известная немецкая оптика компании Carl Zeiss для фотоаппаратов, томографов, гигантских телескопов, электронных микроскопов, а также мощных линз для больших промышленных установок электронной микрофотолитографии).

Технологию с использованием вертикальных микросхем в ближайшее время, по мнению экспертов, мы не освоим, но зато есть хорошие заделы по другим направлениям. Академик Александр Асеев отметил, что самое важное в микросхемах — это не столько их размер, сколько прецизионная чистота кремниевого монокристалла.

Он рассказал, что на биотехнологическом производстве «Вектор» освоены биочипы на нанопроволочных транзисторах на основе кремния на изоляторе — уникальная разработка Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН. Сенсоры работают с субатомарной чувствительностью, чтобы регистрировать единичные молекулы коронавируса. Нанопроволочный сенсор биомолекул с шириной рабочей зоны 2 мм и толщиной нанопроволоки 50–100 нм был разработан совместно с Институтом биомедицинской химии им. В. Н. Ореховича РАН.

В силовой микроэлектронике также непринципиальны единичные нанометровые размеры: для работы ЛЭП, скоростных электропоездов, тиристоров, сварки, робототехники, индукционного нагрева, источников бесперебойного питания, электроприводов на модулях IGBT, автоэлектротехники в первую очередь нужна высокая надежность приборов. Для элементов силовой электроники используют высокочистый беспримесный кремний. На основе полупроводниковой микроэлектроники, разработанной в ИФП им. А. В. Ржанова СО РАН, создан матричный медицинский тепловизор СВИТ, который в 2003 году получил не только российский, но и европейский сертификат.

Назначение тепловизора — медицинская и научная термография на основании дистанционного измерения температуры на поверхности объекта. Прибор требует охлаждения жидким азотом при его расходе 200 мл на десять часов и используется для неинвазивных методов диагностики. На основе той же технологии были созданы инфракрасный сканирующий микроскоп с высоким пространственным разрешением (до 1,6 микрона) и быстродействующий инфракрасный спектрометр. Кремний сам по себе не является фоточувствительным материалом, но с помощью специальных плазмонных структур, оказалось, можно добиться увеличения фоточувствительности в десятки раз.

Одна из передовых разработок ИФП СО РАН — это гетероструктура кадмий-ртуть-теллур, которая позволяет создавать высокочувствительные фотоприемные устройства мирового уровня. В качестве примеров использования таких фотоприемников можно привести поиск шахтеров в задымленных шахтах, исследования в области медицины, жилищно-коммунальной сфере. Современная тепловизионная техника, разработанная сибирскими учеными, способна реагировать на мельчайшие изменения температур. Ученые показали, как прибор демонстрирует снимок лица человека, к которому прикоснулись холодным предметом: отпечаток гаечного ключа на щеке отчетливо виден еще долгое время. Матричные системы на основе арсенида индия позволяют производить такие приборы.

Участники совещания рассказали, что в рамках проекта Центра прототипирования изделий био- и наноэлектроники в новосибирском Академгородке еще в 2011–2016 годах планировалось создание полупроводниковой мини-фабрики на основе разработок институтов Сибирского отделения. 25 научных и производственных организаций поддержали и согласились принять участие в работе будущего центра нанотехнологий.

Миссия центра — обеспечение мирового уровня научных исследований, технологий и разработок в области новых материалов и элементной базы, работающей на новых физических принципах, для микро-, нано-, био- и оптоэлектроники и нанофотоники, СВЧ-электроники, сенсорики, радиационно стойкой электроники, квантовой электроники, ИК-техники. Планировалась разработка принципиально новых продуктов на основе нанотехнологий и современной электроники — так называемых кремниевых лабораторий в корпусе: нано-, газо- и электромеханических сенсоров, новых элементов памяти. Разработанные продукты планировались к производству на отечественных предприятиях.

Если же оценивать итог совещания в Новосибирском университете в целом, то его участники пришли к следующему мнению: хотя время было упущено, возможность возобновить проект возрождения сектора полупроводниковой микроэлектроники в России еще сохранилась, во всяком случае, актуальность этой проблемы только увеличилась.