Некоторые проблемы современной электроники.
В статье расскажем о проблеме современного общества электронщиков. Описание проблемы, выводы и пути выхода из данной ситуации.
Наука не может формироваться без участия людей ею увлечёнными.
Только при наличии времени, сил и полном погружении этих
людей в ими любимое дело может получиться великое.
Рисунок 1. К чему приводят благие намерения.
В данной статье мне хотелось бы описать одну из связанных с электроникой проблем – проблему современного сообщества электронщиков и описать ряд выходов, которые я вижу из данного состояния.
Как мне пришла в голову идея сделать данную статью.
Дело в том, что уже достаточно давно я веду видеоблог на своём канале YouTube. Как то раз у меня прям накипело и я записал вот это видео, в котором, подготовившись, я описал фриланс в электроники
Потом, получив огромную отдачу от подписчиков я снял второе видео про те проблемы с которыми сталкивается электронщики и люди связанные с производством чего-то нового в России. В нём я достаточно детально, на мой взгляд, рассмотрел основные проблемы с которыми сталкивался я и мои коллеги.
Вот сейчас у меня снова накипело, и это не описано в вышеизложенном материале. По этому я решил записать видео и написать статью. Повторение в письменном материале необходимо по тому, что это затрагивает разные возрастные аудитории современных инженеров. Поколению которому сейчас 18-26 лет (я как раз оттуда) о новой информации проще узнавать что-то слушая, пока чертишь или что-то делаешь. Лицам по старше, куда проще прочитать статью и подчерпнуть информацию из неё. Школьная аудитория как правило не посещает мой сайт/канал на ютубе и так далее, так как просто занимается немножко другими вещами.
Описание сути описываемой проблемы.
Проблемой я хотел бы выделить: само сообщество отечественных электронщиков. Мы, как и любое общество, имеем несколько специфичный высокопрофессиональный язык, на котором общаемся между собой (феты, соки, камни и т.д.), состоим из большой массы людей со схожими интересами, поэтому я считаю, что можно выделить сообщество электронщиков в России. Проблема заключается не в межличностных отношениях, а в систематических косяках, с которыми сталкиваются люди в данном сообществе.
Первый из них хорошо описывается моим недавним примером: Коллега подсунул контрафактный footprint Micro-USB разъёма, что повлекло ряд моих сложностей в проектной работе. Хронология событий примерно такая:
1. Я собирался сделать сильную доработку одного из своих проектов по КВ измерительному оборудованию. Мой коллега и хороший знакомый, который активно продвигает эту тему уже давно просил меня сделать удобный и привычный всем разъём Micro-USB на плате для зарядки носимого устройства. Я занялся поиском походящих готовых футпринтов и мой старый знакомый Мистер Х поделился своим футпринтом, со ссылкой что он делал такое и у него уже всё отлажено.
2. Перед тем как использовать данный футпринт я у Мистер Х ещё раз спросил, использовал ли он данный футпринт. На это он ответил что да, и я сам нашёл в его альбоме в соц.сети снимки с подтверждением. Я довольно быстро добавил его в свой проект и с полной уверенностью отдал платы на производство.
Рисунок 2. Фотография с готовой платы с производства
3. Как оказалось, в нём была технически не выполнимая черта и производство ПП(печатных плат) вернули мне её, указав на явный косяк. Связанно с тем, что они не могут сделать хитрый металлизированный пропил с отношением диаметров менее 2 к 1. Ну, я не растерялся и быстренько это поправил. После этого я написал автору, на что получил довольно странный ответ: «футпринт не мой, делал кто-то там, проверяй сам, я тут не причём». И тут он оказался прав. Я осознал, что не подошёл к полученной информации критически и допустил из-за этого ошибку.
Рисунок 3. Фотография с производства
4. Как оказалось, стандартный разъём в полученный футпринт не лез, но при помощи «молотка и упорства» разъём был установлен в полученный футпринт. Надо отметить, что подходящий USB разъём я нашёл только в Митино. В остальных магазинах были другие, которые не вызывали у меня чувства надёжности и футпринтов которых у меня и сейчас нету.
Рисунок 4. Фотография самого разъёма.
5. Неожиданное продолжение эта история получила после полной сборки и отладки устройства. Я обнаружил, что в разъёме все пины поменяны местами. Это привело к гибели двух ltc4054 и потере моего авторитета как разработчика в глазах коллеги. Судя по всему номера человек присваивал по первой картинке в гугле, на которой указан РАЗЪЁМ НА ШЛЕЙФ. В результате пришлось проявить не дюжее мастерство во владении ножом, чтобы аккуратно обрезать часть полигон на плате и подпаять проводами (выглядит мерзко) к ltc4054.Фотографию этого дела мне стыдно показывать, по этому на сайт я её не повешу.
Если абстрагироваться от меня конкретно.
Поставленная проблема носит не единичный случай проявления. Как только я написал о этом в своей группе в ВК(в 1 час ночи) в группе появилось ряд комментариев, а мне в сообщениях пришло несколько аналогичных ситуаций, в которые попадали люди. Возможных причин в этом я вижу 4:
1. Полная безответственность за свою работу. Дело в том, что многие молодые и не очень инженеры даже в крупных компаниях делают работы, которые не идут дальше ящика под столом, ежедневно очищаемого уборщицами. В таких проектах не имеет разницы: можно ли сделать проект или нет, работает он или нет и так далее. Такие проекты обычно делают сотрудники в первые полгода-год своей работы, чтобы руководство и окружающие притёрлись друг к другу.
2. Намеренное вредительство со стороны Мистера Х. Я до сих пор не знаю с чем оно может быть связано. Но люди разные, и может быть человеку не понравился мой характер или ещё что-то? – возможно. Точно я сказать не могу. Но в общем смысле эта штука не правильная с моей точки зрения: «Если мне кто-то не нравиться, я просто ему не помогаю, или помогаю по его просьбе, если мне это не составляет трудностей.»
3. Систематические косяки в устройствах, которые никто не фиксирует. Такое бывает. За время хождений по собеседованиям я видел кучу компаний, которые прямо со входа показывали какие они значимые и как они сделали 40-50 своих уникальных устройств (это прям много) из разных областей техники, большая часть которых просто не запускалась или имела прям очень большие косяки. Может быть, Мистер Х занимается именно этим и ничем другим. Я опять же не знаю.
4. Это ещё студенческая работа Мистера Х. Когда ты в вузе всем глубоко наплевать на такие мелкие детали.
(если у вас есть свои варианты почему происходят такие вещи, радостно прошу написать мне и я добавлю ваше мнение при достижении взаимного понимания)
Выводы которые я вынес из данного материала:
1) Теперь я никогда в жизни не буду использовать чужие футпринты, до получения либо заводского подтверждения правильности выполнения футпринта (руками пощупать и детально просмотреть этот кусочек проекта в электронном виде), либо до проверки на своих отладках при помощи ЛУТ.
2) Я не буду идти на поводу у заказчика и впихивать в серийное устройство что-то не обкатанное. Как показало данное устройство (фото ниже), оно получается идеальным, если использовать обкатанные узлы и детально проработать мелкие моменты.
Рисунок 5. Фотография устройства в корпусе
3) Теперь я буду оценивать качество окружающих меня инженеров, которые так стремятся со мной общаться не по уровню их проектов, а по вот таким мелким деталям. Просто на деле может оказаться, что программист на Java/С работающий в компании по производству электроники в свободное от работы время трассирует платы студентам и поливает всей фикалиями на форумах по DC-DC преобразователям, хотя он на практике ни разу не собирал свои преобразователи (ну или отчётливо осознал почему бывают разные пироги как тут: ссылка на L5973). Если ты программист Java/С и большую часть времени ты занимаешься Java/С а всем остальным по остаточному признаку, то я вижу прям фантастически классную тему для обсуждения Java/С, но вот в теме железа я буду требовать прям натурные данные.
4)Никогда не стоит поддаваться панике из-за сроков. Это приводит к большому числу ошибок и проблем.
Пути выхода из данной ситуации.
1. Введение персональной ответственности за свою работу. Я лично всегда отвечаю за все косяки в своих устройствах. Даже если использую чужие части.
2. Нужно чётко заниматься любимым делом. Если это ваше любимое дело, то вы это поймёте. Если нет, то не стоит и пытаться.
реферат (Проблемы современной наноэлектроники) » СтудИзба
Текст 2 страницы из документа «реферат»
Как уже отмечалось, микроволновый диапазон – это та часть электромагнитного спектра, где классическая электротехника уже не работает, а относительно простые законы оптики еще не работают. Поэтому при решении электродинамических проблем в указанном диапазоне приходится либо изощряться, приспосабливая законы оптики и классической электротехники к СВЧ, либо пытаться решать уравнения Максвелла, что в некоторых случаях приносит свои плоды. По Максвеллу источником магнитного поля могут служить либо протекающий ток, либо меняющееся во времени электрическое поле. В некотором смысле это сходные вещи, поскольку электрический ток представляет собой движение электрических зарядов, а каждый движущийся заряд меняет окружающее электрическое поле и тем самым создает вокруг себя магнитное поле.
Базой современной электроники являются достижения в различных областях фундаментальных наук, в первую очередь в области физики твёрдого тела, физики полупроводников, а также твердотельной технологии. До недавнего времени повышение функциональной сложности и быстродействия систем достигалось за счет увеличения плотности размещения и уменьшения размера элементов. Однако настало время, когда элементная база, основанная на использовании разнообразных низкоразмерных структур, является наиболее перспективной для электронной техники новых поколений. Так, при переходе к системам нанометрового масштаба начинают проявляться квантовые эффекты (размерное квантование, туннелирование, интерференция электронных состояний и др.), которые будут играть определяющую роль в функционировании приборов на их основе.
Список использованных источников и литературы
Шишкин Г.Г. Наноэлектроника. Элементы, приборы, устройства / Г.Г. Шишкин, И.М. Агеев – Москва: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2011.
Шелованова Г.Н. Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники / Г.Н. Шелованова – Красноярск: ИПК СФУ, 2009.
Борисенко В.Е. Наноэлектроника. Теория и практика / В.Е.Борисенко – Москва: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2013.
Современные проблемы технологии наноэлектроники
Современные проблемы технологии наноэлектроники
| Авторы: | Проф., д.т.н. Королев Михаил Александрович Красюков Антон Юрьевич, к.т.н.,доц Поломошнов Сергей Александрович к.т.н., доцент |
Описание курса
Дисциплина «Современные проблемы технологии наноэлектроники» относится к базовой части цикла профессиональных дисциплин. Примерным учебным планом и примерной рабочей программой дисциплины предусмотрены аудиторные лекционные занятия, а также самостоятельная работа студентов. Эффективное развитие наноэлектроники и нанофотоэлектроники в настоящее время в значительной степени сдерживается технологическими возможностями создания реальных приборов и устройств в указанных выше направлениях. Магистр, подготовленный в рамках курса «Современные проблемы технологии наноэлектроники» должен, с одной стороны, хорошо представлять себе те явления и процессы, на которых основано приборное направление, а с другой стороны, свободно владеть методами и средствами технологии микроэлектроники, которая постоянно совершенствуется, привлекая возможности принципиально новых путей развития, включая биологические объекты, органические полупроводники и т.д. Кроме того, арсенал возможностей нанотехнологии для наноэлектроники и нанофотоэлектроники оказывается, с одной стороны, значительно шире, чем традиционный арсенал твердотельной микроэлектроники, а с другой — включает в себя большое количество возможностей, ранее микроэлектроникой не использованных. Это означает, что подготовленные для реализации нанотехнологии выпускники должны владеть знаниями и навыками из пограничных областей, включая, например, органический синтез, методы молекулярной биологии и т.д. Курс включает также углубленное представление о свойствах используемых материалов, их потенциальных возможностях и, что особенно важно, о свойствах реально существующих монокристаллических, поликристаллических и других объектов. Особую роль в подготовке современных специалистов для наноэлектроники играет детальное представление о существующих структурных дефектах, вероятности их генерации при выращивании кристалла и в ходе других технологических процессов. Реализация методов нанотехнологии невозможна без современных знаний о самоорганизации структур, включая структуры с радиационными и другими дефектами. Методы нанотехнологии в значительной степени основаны на знании таких процессов, как самоорганизация, стимулированные процессы, включая радиационно- стимулированные. Курс рассчитан на студентов, овладевших базовыми представлениями о квантово-размерных эффектах, особенностями их реализации на известных материалах и структурах, а также реально представляющих существующие в настоящее время и потенциальные проблемы при дальнейшем развитии направления. В задачи изучаемой дисциплины входит также изучение основных технологических процессов, с помощью которых в настоящее время создаются наноразмерные элементы и структуры, а также формирование представления о наиболее эффективных методах контроля параметров и свойств формируемых наноразмерных объектов.Сегодня и завтра наноэлектроники
Александр Латышев
«Наука из первых рук» №3(83), 2019
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 автореАлександр 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
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Лекция 1. Основные тенденции, проблемы и перспективы развития кремниевой наноэлектроники
18
План лекции
1. Введение
1.1. Предмет наноэлектроники
1.2. Пространственные масштабы наноэлектроники
2. Возможности, принципы и проблемы миниатюризации КМОП приборов
2.1. Цифровая техника и логические вентили
2.2. Закон Мура
2.3. Технологическая (проектная) норма
2.4. Основные проблемы миниатюризации
2.5. Анализ проблемы тепловыделения
2.6. Проблема отвода тепла
2.7. Максимальное быстродействие и проблемы при миниатюризации межсоединений
2.8. Принципы масштабирования
2.9. Компромиссы миниатюризации
2.10. Ограничения масштабирования
Литература
1. Введение
1.1. Предмет наноэлектроники
Уточним прежде всего предмет лекции. Наноэлектронные приборы можно условно разделить на две группы. Первую группу составляют приборы, представляющие собой продукт эволюционного развития микроэлектронной транзисторной (главным образом, КМОП) технологии на основе кремния в сторону уменьшения размеров и увеличения степени интеграции. Вторую группу составляют наноэлектронные приборы, основанные на принципах, материалах и конфигурациях, отличных от стандартных КМОП технологий. Принципиальное отличие приборов этих двух групп заключается в том, что принцип действия приборов второй группы основан на квантовомеханических эффектах (например, диоды и транзисторы на основе резонансного туннелирования, одноэлектронные транзисторы, спинтронные приборы и др.). В современных кремниевых наноэлектронных МДП транзисторах, образующих первую группу, также проявляются квантовомеханические эффекты, однако они играют в основном отрицательную роль в работе транзисторов, и с ними приходится бороться (туннелирование через подзатворный окисел, туннелирование исток-подложка, квантование в канале). В лекции будет рассмотрено современное состояние и перспективы развития приборов первой группы – кремниевых нанотранзисторов. При этом главное внимание в лекции будет обращено на преодолении физических проблем, связанных с миниатюризацией кремниевых нанотранзисторов. Проблемы технологии рассматриваться не будут. Предполагается, что слушатели знакомы с основами физики МДП-транзистора, его вольт-амперными характеристиками и основными параметрами.
Название «микроэлектроника» связано с тем, что первые транзисторы имели размеры порядка 10 микрометров (микрон). За полвека развития размеры транзисторов уменьшились на несколько порядков величины. Граница между микроэлектронной и наноэлектронной технологиями носит условный характер и проводится на размерах ~ 100 нанометров (0,1 мкм). Это объясняется тем, что удобней оперировать целыми числами — нанометрами, а не долями микрометра. Для оценки размера в 100нм достаточно сказать, что такой размер имеет вирус гриппа. Переход в наноэлектронную область произошел в 1999 году. В 2012 году фирма Intel начала производство схем с технологической нормой 22нм и в настоящее время готовит выпуск схем с технологической нормой 14нм.
Что же касается внедрения в индустрию приборов на новых физических принципах или даже на новых материалах, то это представляется делом достаточно отдаленного будущего (не ранее чем через 20-30 лет). Несомненно, что некоторые уже давно известные и недавно открытые материалы (например, графен – моноатомная 2-х мерная решетка углерода с уникальными электронными и механическими свойствами) займут значительную нишу в будущей электронике. Тем не менее, полное вытеснение кремния как основного материала электроники представляется столь же маловероятным событием, как вытеснение железа в качестве основного конструкционного материала.
