Техника будущего


Сибирские ученые о перспективах посткремниевой электроники
06 октября 2020

Институт физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН вошел в число победителей конкурса грантов на проведение крупных научных проектов по приоритетным направлениям научно-технологического развития РФ. В рамках программы исследователи будут заниматься определением фундаментальных физических закономерностей систем квантовых полупроводниковых материалов.

Возможности современной кремниевой технологии по уменьшению размеров элементной базы электроники фактически достигли своего предела. Ее основные элементы, транзисторы, такие маленькие (единицы нанометров), что трудно сделать их еще меньше. Более того, взаимодействуя друг с другом, они нагреваются и выходят из строя. Для нас как для пользователей важно, чтобы электронные устройства работали надежно и быстро, не нагревались, потребляли мало электроэнергии, а также обладали большим объемом памяти. В процессе достижения этих целей возникают трудности, которые напрямую связаны с материалом, из которого сделана вся электроника.

«На сегодняшний день кремний — это база современной техники: большая часть всей электроники изготавливается из него. Современные кремниевые электронные устройства содержат, кроме кремния, и другие материалы — небольшие включения арсенида галлия, диоксида гафния, кремний-германиевые сплавы. Однако уже сейчас нужно задумываться, каков будет следующий шаг? А это — поиск новых возможностей и материалов, способных прийти на замену кремнию», — говорит заместитель директора по научной работе ИФП СО РАН доктор физико-математических наук Александр Германович Милёхин.

Проект «Квантовые структуры для посткремниевой электроники» направлен на поиск возможности замены кремния на другие материалы, более эффективные, нежели он, которые способствовали бы решению задач наноэлектроники. Создание основ новых технологий, установление фундаментальных физических закономерностей квантовых полупроводников материалов, исследование гетеросистем (систем из различных компонентов) — его основные цели. Руководит работой директор ИФП СО РАН академик Александр Васильевич Латышев.​

В исследование квантовых структур вовлечены пять организаций: Институт физики металлов им. М. Н. Михеева Уральского отделения РАН (Екатеринбург), Институт физики микроструктур РАН (Нижний Новгород), Институт физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН (головное учреждение), Санкт-Петербургский и Новосибирский государственные университеты. Всего задействованы 62 научных сотрудника.

«По условиям проекта среди исследователей как минимум 35 % должны быть не старше 39 лет. К примеру, в ИФП СО РАН среди 25 участников 10 человек — молодые ученые», — поясняет Александр Милёхин.

Исследования предполагают несколько направлений. Одно из них — это работа с квантовыми структурами на основе соединений кадмий — ртуть — теллур. К примеру, его можно использовать в разработке различных оптико-электронных приборов. В частности, на основе этого вещества физики из ИФМ РАН (Нижний Новгород) создают светоизлучающие устройства — лазеры, работающие в терагерцовом диапазоне. Его особенность в том, что терагерцовое излучение просвечивает многие материалы, не ионизируя и не разрушая их, и может быть применимо в диагностической медицине или системах безопасности.

«Наш институт — единственный в стране, обладающий мощной технологической базой по производству высококачественных эпитаксиальных структур на основе кадмия, ртути и теллура. Используя эту базу, мы уже много лет производим матричные фотоприемники. В рамках этого направления проекта необходимо добиться повышения их чувствительности и, соответственно, уменьшить размеры, стоимость, энергопотребление, что достаточно непростая задача», — говорит Александр Милёхин.

Другое направление связано с созданием технологий разработки однофотонных фотодиодов на основе квантовых гетероструктур, которые бы применялись в оптоволоконных линиях связи. Еще один вектор исследований направлен на изучение и разработку физических принципов технологий создания посткремниевых материалов, включая полупроводниковые и плазмонные метаматериалы, для нанофотоники, плазмоники и наносенсорики. Для того чтобы понять, какие физические решения, конструкции потребуются для создания полупроводниковых приборов, ученые исследуют материал А3Б5 на основе индия, мышьяка, галлия и других элементов. Также ученые будут заниматься исследованиями полупроводниковых квантовых точек (нанокристаллов) и дефектов в алмазе. Такие материалы перспективны для создания кубитов ― элементов квантового компьютера.

Квантовые структуры для посткремниевой электроники — фундаментальный проект, то есть в итоге ожидается решение определенных научных задач, напрямую не связанных с созданием устройств, например объяснение энергетического спектра нового материала, установление физических свойств материала и так далее. Такие исследования нужно рассматривать как необходимый этап в развитии современных технологий для повышения быстродействия компьютеров, увеличения производительности электронных устройств, расширения их функционала, снижения энергопотребления.

Грант рассчитан на три года.

«Здорово, что институт смог выиграть этот конкурс и был высоко оценен экспертами комиссии. Мы понимаем, что сейчас на нас возлагается большая ответственность», — говорит Александр Милёхин.

 
Анастасия Федотова