90 годы. Это десятилетие характеризуется дальнейшим наращиванием объемов производства полупроводников, происходит все большая степень интеграции микросхем. Бурный рост персональной компьютерной техники приводит к разработкам сложных специализированных устройств. Крупные корпорации выводят свое производство в Китай и страны Юго-Восточной Азии. Совсем по-другому обстоят дела в нашей стране. Государственное финансирование снизилось до минимума. Ряд ведущих предприятий электроники – на грани закрытия, другие после акционирования утратили производственный профиль деятельности. Эффективно работающие предприятия составляют всего несколько процентов от общего количества. К середине 90-х годов российская электроника имела годовые объемы вложений 150 млн. долларов, а мировой рынок оценивается в 210 млрд. долларов. В России только на заводах «Ангстрем» и «Микрон» в Зеленограде можно производить СБИС с топологической нормой 1,2 мкм. В 1997 Правительством создана холдинговая компания «Российская электроника», в которую вошли 32 предприятия и научно-исследовательских институтов бывшей электронной промышленности. На заводе «Микрон» введена производственная линия по выпуску СБИС с проектными нормами 0,8 мкм. на пластинах 150 мм. В НИИМЭ разработана элементная база БиКМОП ИС на основе самосовмещенной технологии. В 1998 году на СП «Корона» начато промышленное производство СБИС на пластинах кремния диаметром 150 мм с топологическими нормами 0,8 мкм. И пожалуй самое замечательное событие произошло на порого нового тысячелетия. В 2000 году академик Ж.И. Алферов удостоен Нобелевской премии, за исследования начатые еще в 1970 году – за основополагающие работы в области информационных и коммуникационных технологий, в частности за открытие явления суперинжекции в гетероструктурах, открытие идеальных гетероструктур арсенид алюминия-арсенид галлия, создание полупроводниковых лазеров на двойных гетероструктурах, создание первых биполярных гетеротранзисторов, солнечных батарей на гетероструктурах.
В настоящее время главенствует направление микроминиатюризации полупроводниковых приборов. Последние достижения таковы: в США, в 2006 году создан транзистор из одиночной молекулы углерода. И уже в том же, 2006 году, ученым из IBM удалось впервые в мире создать полнофункциональную интегральную микросхему на основе углеродной нанотрубки, способную работать на терагерцевых частотах. Вполне вероятно, что развитие наноэлектроники будет связано с сопоставимой по масштабу оптимизацией, аналогичной уменьшению микроэлектронной компонентной базы в 60-е годы минувшего столетия. Возможно, что на основе интегрированных наноэлектронных чипов возникнет совершенно новая элементная база, которая будет отличаться высокой компактностью, низким энергопотреблением и невиданным ранее быстродействием.
6. Открытие сегнетоэлектриков
В 1920 г. была открыта спонтанная (самопроизвольная) поляризация. Сначала её обнаружили у кристаллов сегнетовой соли(NaKC4H4O6·4H2O), а затем и у других кристаллов. Всю эту группу веществ назвали сегнетоэлектрики (или ферроэлектрики). Детальное исследование диэлектрических свойств этих веществ было проведено в 1930–1934 гг. И.В. Курчатовым в ленинградском физическом техникуме. Все сегнетоэлектрики обнаруживают резкую анизотропию свойств (сегнетоэлектрические свойства могут наблюдаться только вдоль одной из осей кристалла). У изотропных диэлектриков поляризация всех молекул одинакова, у анизотропных – поляризация, и следовательно, вектор поляризации в разных направлениях разные. В настоящее время известно несколько сотен сегнетоэлектриков.
7. Открытие пьезоэлектриков
В 1756 г. русский академик Ф. Эпинус обнаружил, что при нагревании кристалла турмалина на его гранях появляются электрические заряды. В дальнейшем этому явлению было присвоено наименование пироэлектрического эффекта. Ф. Эпинус предполагал, что причиной электрических явлений, наблюдаемых при изменении температуры, является неравномерный нагрев двух поверхностей, приводящий к появлению в кристалле механических напряжений. Одновременно он указал, что постоянство в распределении полюсов на определённых концах кристалла зависит от его структуры и состава, таким образом, Ф. Эпинус подошел вплотную к открытию пьезоэлектрического эффекта. Пьезоэлектрический эффект в кристаллах был обнаружен в 1880 г. братьями П. и Ж. Кюри, наблюдавшими возникновение на поверхности пластинок, вырезанных при определённой ориентировки из кристалла кварца, электростатических зарядов под действием механических напряжений. Эти заряды пропорциональны механическому напряжению, меняют знак вместе с ним и исчезают при его снятии. Образование электростатических зарядов на поверхности диэлектрика и возникновение электрической поляризации внутри него в результате воздействия механического напряжения называют прямым пьезоэлектрическим эффектом. Наряду с прямым существует обратный пьезоэлектрический эффект, заключающиеся в том, что в пластине, вырезанной из пьезоэлектрического кристалла, возникает механическая деформация под действием приложенного к ней электрического поля; причём величина механической деформации пропорциональна напряжённости электрического поля. Обратный пьезоэлектрический эффект не следует смешивать с явлением электрострикции, т.е. с деформацией диэлектрика под действием электрического поля. При электрострикции между деформацией и полем существует квадратичная зависимость, а при пьезоэффекте – линейная. Кроме того, электрострикция возникает у диэлектрика любой структуры и происходит даже в жидкостях и газах.
8. Применение полупроводников
Надежно работающие плоскостные полупроводниковые диоды и триоды были созданы только после изучения свойств полупроводниковых кристаллов и овладения технологией изготовления сверхчистых материалов.
Преимуществом плоскостных контактов по сравнению с точечными является их способность пропускать более сильный ток. Но при этом они имеют значительно большую паразитную емкость, вред которой возрастает с повышением частоты сигналов.
Поэтому плоскостные диоды и триоды применяются для обработки и усиления низкочастотных сигналов, а точечные, называемые также кристаллическими детекторами, для детектирования слабых сигналов высоких и сверхвысоких частот.
Область применения полупроводников не ограничивалась радиотехникой. Еще в 1932 г. А.Ф. Иоффе создал из закиси меди, а затем из селена фотоэлементы, вырабатывавшие при их освещении электрический ток без помощи внешних источников энергии. Однако их КПД при использовании солнечной энергии не превышал 0,05–0,1%. Но уже перед Великой Отечественной войной в СССР были созданы фотоэлементы из сернистого таллия и сернистого серебра с КПД до 1%.
В 1954 г. был создан кремниевый фотоэлемент. В этом же году
впервые была построена солнечная батарея, состоявшая из большого числа
кремниевых фотоэлементов. В начале 1955 г. были созданы фотоэлементы с КПД
до 6%. Современные фотоэлементы имеют КПД до 20% и выше.
Располагая полупроводниковый диод рядом с радиоактивным материалом, получают
атомную батарею, которая может вырабатывать электрическую энергию на протяжении
многих лет.
На основе полупроводников были созданы фотодиоды. В сочетании с электрическими счетчиками они ведут учет движущихся объектов – от производимых деталей до пассажиров в метро. Приборы, созданные с применением фотодиодов, могут определять бракованные изделия на конвейере и выключать оборудование, если в его опасную зону попадают руки рабочих.
Создание приборов на основе полупроводников произвело в середине XX в. техническую революцию. Дальнейшее их развитие привело к созданию интегральных микросхем, появлению новых поколений электронно-вычислительных машин и персональных компьютеров. Сейчас ни одна область науки и техники не обходится без их применения.
9. Физика полупроводников и нанотехнологии
Уважаемые коллеги! В последнее время у нас в стране и во всем мире очень большое внимание уделяется вопросам нанотехнологии, наноструктур, нанофизики, нанохимиии и даже, как говорят, нанонауки. Я думаю, что все работы, которые ведутся в области наноструктур, а также развитие этих исследований связаны, прежде всего, с тем, что переход к очень малым размерам способствует возникновению целого ряда совершенно новых физических явлений, которые, в свою очередь, влекут за собой очень важные физические и технологические изменения. В физике полупроводников этот процесс, возможно, начался даже раньше, чем в других областях.
Можно сказать, что развитие полупроводниковой электроники на основе кремниевых интегральных схем с физической точки зрения, – это, по сути, то же, что было сделано в конце 40-х – начале 50-х гг.: поскольку основой является полевой и биполярный транзистор, и все главные физические явления – это те, что были изучены и исследованы уже тогда. Вместе с тем, произошли гигантские, драматические изменения, и связаны они с уменьшением размеров, а также с выполняющимся до сих пор законом Мура. Тем не менее, технология и техника литографии подошла сегодня к главному топологическому размеру интегральных схем, исчисляемому 45–60 нанометрами. Поэтому уже много лет говорится о том, что наступят принципиальные изменения, когда дальнейшее уменьшение топологического размера станет невозможным.
Но на самом деле процесс по-прежнему идет. Но я хотел бы остановиться на другом чрезвычайно важном направлении в развитии современной полупроводниковой электроники и физики. Это направление, связанное с использованием полупроводниковых гетероструктур, которые, кстати сказать, сегодня очень активно используются и в решении проблем кремниевых интегральных схем ультрамалых размеров, особенно что касается решения принципиальной проблемы мест соединений. В области физики полупроводниковых гетероструктур нанотехнология и основные физические явления, связанные с появлением малых размеров, а также принципиально новых свойств, были открыты более трех десятков лет назад.
Один из наших коллег, замечательный японский физик Лио Исаки внес в развитие этой области физики огромный конкретный вклад. Стоит заметить, что так называемые полупроводниковые сверхрешетки впервые были предложены в 62 г. (первая публикация в этой области принадлежит Л.В. Келдышу: к сожалению, он представил практически неэффективный способ получения сверхрешеток путем приложения сильных ультразвуковых полей к поверхности кристаллов). В 70 г. Лио Исаки создавал первые полупроводниковые решетки, используя уже полупроводниковые гетероструктуры. Японский ученый дал, с моей точки зрения, блестящее определение, которое, я думаю, чрезвычайно четко отражает сущность использования нанотехнологии, наноструктур в целом: он сказал о полупроводниковых гетероструктурах, что это «man made crystals», в отличие от «God made crystals».То есть это кристаллы, сделанные человеком, в отличие от кристаллов, сделанных Богом, ибо любые искусственные кристаллы, получаемые в лаборатории, – это, в конечном счете, и германий, и кремний, и полупроводниковые соединения А3Б5, А2Б6, и многие другие. Это кристаллы, сделанные Богом, потому что независимо от того, получены ли они в лаборатории, получены ли они в природе, – их свойства определены.
