Продолжение. Начало в No 5
5
Несмотря на все очевидные преимущества уменьшения в размерах, применение «москитной» тактики в стратегических вопросах не всегда оказывается оправданным.
Поучительным примером являются некоторые аспекты идеи «Большого скачка», которую китайский лидер Мао Цзедун выдвинул в 1957 году. Было принято решение за 15 лет обогнать западную индустрию по объёмам производства зерна и выплавке чугуна. И вместо металлургических заводов по всей стране начали лепить из глины кустарные доменные печи. Специалистов в аграрной стране, которой тогда был Китай, практически не было, а полуграмотные крестьяне не умели производить качественные плавки. В итоге борьба за выполнение нормативов превратилась в массовое расхищение на металлолом всего, что попадётся под руку, и его переплавка в непригодный для дальнейшей обработки металл.
С зерном тоже ничего не вышло – крестьяне занимались выплавкой чугуна на заднем дворе, продовольствия стало не хватать, а потому обвинили... воробьёв! Они якобы нанесли большой ущерб, и вот по всей стране начали безжалостно истреблять бедных птичек. В итоге расплодились гусеницы, саранча и другие вредители, реально губившие и без того скудные урожаи, а массовая вырубка лесов, которые пустили на дрова для домашних доменных печей, привела к наводнениям. Считается, что наступивший голод унёс не менее 20 миллионов жизней. Через три года идею Большого скачка сочли неправильной, началось медленное восстановление нормального производства и сельского хозяйства.
Возможно, память об этих экспериментах выработала у китайской элиты иммунитет против поспешных решений по линии, если можно так выразиться, «социального масштабирования». Это позволило им избежать судьбы СССР, лидеры которого из-за своих представлений о путях развития страны чуть не привели её к «москитизации», хотя распада избежать не удалось. А случись разделение КНР на несколько регионов, вряд ли в наши дни китайцы были бы лидерами не только в мировой экономике, но и одними из лидеров в микроэлектронике. Такое вот диалектическое взаимодействие великого и малого, как сказали бы философы.
Кстати, микроэлектроника, развитие которой имеет однозначно стратегический характер, тоже начинает сталкиваться с тем, что, как ни парадоксально, можно было бы назвать «болезнями роста». Дело в том, что взрывной рост в глобальной потребности микрочипов привёл к масштабированию их производств по восходящей, то есть к строительству больших заводов и фабрик. С другой стороны, масштабирование технологических процессов по нисходящей, то есть уменьшение величины микрочипа (с одновременным увеличением числа элементов, входящих в него), сталкивается с определёнными проблемами, причём не только в аппаратной части (литографы и т. п.), но и в материальной компоненте, то есть в веществах, используемых для создания чипов.
Сейчас мало кто помнит, что на самом деле первым в мире полупроводниковым прибором, усиливавшим и генерировавшим электромагнитные колебания, был «кристадин», то есть кристаллический гетеродин, созданный в 1922 году в Твери выдающимся русским учёным Олегом Лосевым. Кстати, ему принадлежат также открытие электролюминесценции полупроводникового перехода и ёмкостного фотоэффекта в полупроводниках, на котором основывался принцип действия солнечных батарей. И хотя Лосев был автором первых научных трудов, описывающих процессы, происходящие в поверхностных слоях полупроводника, точкой отсчёта развития микроэлектроники принято считать 1958 год. Именно тогда Джек Килби, сотрудник компании Texas Instruments, изобрёл интегральную микросхему (ИМС) – миниатюрный электронный блок, содержащий в общем корпусе транзисторы, диоды, резисторы и другие элементы. Число таких элементов с годами возрастало по так называемому «закону Гордона Мура», сформулированному в 1965 году и гласящему, что число транзисторов на чипе каждые два года удваивается, а стоимость чипа падает на 50 процентов.
6
Вообще-то разработка ИМС вряд ли была бы возможна, если бы в 1947 году в лабораториях Bell Labs физики Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн не создали первый транзистор, который возвестил конец ламповой эры в электронике. А созданная Килби через десятилетие ИМС – пластина из германия площадью около 18 мм2, на которой компоненты были интегрированы на одной подложке,– открыла эру промышленной микроэлектроники. Справедливости ради надо отметить, что в патентах Килби не была решена проблема изоляции и соединения. Поэтому у него в качестве изолятора был разрез – то есть воздушный зазор в кристалле, а для соединения использовалась тонкая золотая проволока. Это, по мнению специалистов, делало схему Килби гибридной, а не монолитной. Тем не менее Килби доказал, что в массиве кристалла можно вырастить компоненты микросхемы, в Texas Instruments сразу поняли перспективы и начали патентовать технологию. Близкий к современному планарный, то есть плоский вид микросхем разработал в 1959 году Роберт Нойс, президент компании Fairchild. Его микросхемой, а также методами фотолитографии, заинтересовались Министерство обороны США и НАСА, и в начале 1960-х некоторые американские фирмы приступили к их серийному производству.
Ныне микросхемы строятся по тому же принципу, но в других масштабах и по более изощрённым технологиям.
В нашей стране тоже велись работы в этой сфере, в основном в НИИ-35, позже переименованном в НИИ «Пульсар». На Рижском заводе полупроводниковых приборов (РЗПП) разработали первую отечественную микросхему для ЭВМ, а в 1962 году создали опытные образцы германиевой твёрдой, то есть интегральной схемы Р12–2, которые практически сразу же ушли в серийное производство и выпускались вплоть до конца 90-х.
Что касается приоритетов, то здесь, как всегда, запоминается тот, кто больше шумит. Именно поэтому мало кто помнит имена наших разработчиков микросхем. А ведь известно, что ещё в начале 1960-х руководство РЗПП поручило молодому инженеру Юрию Валентиновичу Осокину вырастить на одном кристалле два транзистора и два резистора. Дело в том, что тогда в РЗПП была разработана технология «поштучного» выпуска германиевых диодов и транзисторов. И в 1962 году были получены первые образцы германиевой микросхемы Р12–2. Что характерно, информация об американских разработках группе Осокина не поступала, к тому же, в отличие от них, наши работали не с кремнием, а с германием, да ещё и сразу создали готовую микросхему, а не полуфабрикат, как у Килби. Р12–2 была тогда самой маленькой в мире – корпус диаметром 3 мм и высотой 0,8 мм.
В 1963 году в подмосковном Зеленограде начали строить центр микроэлектроники, который должен был в перспективе стать головной структурой целого кластера лабораторий и предприятий в этой области. Хотя Зеленоград так и не стал нашей «Кремниевой долиной», сейчас там работает научно-производственный центр «Электронные вычислительно-информационные системы», основной производитель отечественных микрочипов завод «Микрон», созданный в 1967 году на основе НИИ молекулярной электроники, и более поздние, как, например, «Ангстрем», «ЭЛВИС», «Миландр» и др.
Несмотря на что, что и по сей день в микроэлектронике (особенно в области нанотехнологий) мы остаёмся в позиции догоняющих, ситуация в мировом производстве чипов и сопутствующих изделий начала меняться. А точнее говоря, зависла в некой точке бифуркации, то есть в таком состоянии, при котором система становится неустойчивой и возникает неопределённость в её дальнейшем функционировании. Речь идёт о том, что хоть материальный ресурс производства микросхем и остаётся вполне достаточным для современного уровня потребления, физико-химические свойства этих материалов не позволяют дальнейшее масштабирование технологий в сторону миниатюризации.
Качественный переход на новые материалы начался в конце 60-х годов, когда стало ясно, что завершается доминирование германия, полупроводника, который использовали в большинстве электронных устройств, и наступает время кремния. Германий и сейчас используется для создания СВЧ-устройств, аудиоаппаратуры и в некотором другом оборудовании. Но первый в мире коммерческий микропроцессор 4004 был выпущен компанией Intel в 1971 году уже на кремниевой технологии, развитие которой позволяет сейчас размещать на одном чипе миллиарды транзисторов. На основе кремния производят интегральные микросхемы для большинства приборов – от смартфонов до суперкомпьютеров, но специалисты всё громче говорят о том, что его потенциал практически исчерпан.
7
Одно из неоспоримых преимуществ кремния состояло в том, что его в природе очень много, и по количеству он идёт вторым номером, тогда как первым – кислород. По сравнению с другими полезными ископаемыми, затраты на получение исходного сырья невелики, поскольку это сырьё – кварцевый песок – буквально лежало под ногами. Другое дело, что для получения конечного продукта необходимо прибегнуть к многоэтапным и весьма энергозатратным и трудоёмким процессам, влетающим в немалую сумму.
Из кремния и металла собираются так называемые МОП-структуры. То есть металл – оксид (например, оксид кремния SiO2) – полупроводник (сам кремний Si) сразу на одном кристалле, для получения, скажем, транзистора. К тому же кремний сохраняет свои свойства как полупроводник в диапазоне от комнатной температуры до 150°C, то есть стабильнее некоторых других полупроводников.
Но, как уже говорилось, и у него есть пределы – процессоры на кремниевых технологиях выше частоты 5 ГГц не работают. К тому же в структурах менее 5–10 нм оксид кремния тоже не годился, возникла необходимость его замены на более подходящие материалы. Не вдаваясь в детали, напомним, что микросхемы печатают методом фотолитографии: на кремниевую пластину наносят тонкий слой светочувствительного полимера – фоторезиста, облучают его через оптическую систему, затем проявляют и обрабатывают поверхность. Процесс повторяется десятки раз. Между слоями находится слой изолятора. В зависимости от продвинутости технологии возникают тысячи, миллионы, миллиарды не соединённых между собой транзисторов. Порядок их соединения зависит от архитектуры процессора, которая обычно засекречена производителем. После проверки каждой микросхемы пластины диаметром 300 мм разрезают на 100–150 отдельных чипов, оснащая каждый из них защитой от механических повреждений и системой отвода тепла.
Здесь, казалось бы, при переходе на более крупные пластины, например, 450 мм, мог произойти качественный и количественный рывок. Но подобное масштабирование, при всей соблазнительности, оказалось тупиковым, и поэтому в конечном итоге от него отказались все лидеры производства микросхем. Дело в том, что для больших пластин надо было менять буквально весь цикл производства, начиная от выращивания монокристалла и кончая заменой всего оборудования практически на всех этапах производства. Может показаться, что «догоняющему» как раз имеет смысл сразу выстраивать производство больших кремниевых пластин. Но это похоже на то, как если бы мы строили отрасль по производству огромных «паровозов», тогда как у конкурентов начинается переход на электропоезда. Но необходимость, как сказали бы в старину, «ударных темпов» развития микроэлектроники и, возможно, укрупнения отраслевых структур является фактом неоспоримым.
Дело в том, что из-за большого дефицита микрочипов 2020–2022 годов перспективы отдельных предприятий размываются на фоне глобальных перетрясок. Проблемы с ковидом, а затем и сокращение производства в Китае привели к трёхкратному росту цен, что стало причиной закрытия в разных странах многих производств, и не только мобильных устройств, но и, например, в автомобилестроении. С другой стороны, сосредоточение производств в одном регионе может привести к непредсказуемым последствиям и к обвалу отрасли из-за сбоев поставок. Например, апрельское землетрясение 2024 года на Тайване, из-за которого крупнейший производитель самых продвинутых чипов компания TSMC остановила работу заводов и эвакуировала обслуживающий персонал. Хотя TSMC уверяет, что критически важное оборудование для производства чипов не пострадало, некоторые специалисты полагают, что восстановительные работы продлятся недели – в самом оптимистичном варианте. Даже кратковременная остановка таких производственных линий потребует тщательной проверки и настройки. Отсюда и неизбежный рост темпов диверсификации производства микроэлектроники. Тайвань, поставляющий около 90 процентов самых продвинутых чипов, находится вблизи места схождения двух тектонических плит и подвержен землетрясениям, и неудивительно, что американцы начали строить свои заводы на своей территории, а также в Европе и Юго-Восточной Азии. Сейчас ситуация с поставками чипов стабилизировалась, и на повестке дня опять возникла проблема кремния, который перестал удовлетворять граничным условиям закона Мура.
8
Поиски заменителей начались давно. Ещё в конце 1960-х интерес к соединениям галлия, особенно к химическому соединению с мышьяком (арсенид галлия – GaAs), привёл к его использованию при создании сверхвысокочастотных интегральных схем и транзисторов, светодиодов, лазерных диодов, туннельных диодов, фотоприёмников и детекторов ядерных излучений. Арсенид галлия назвали материалом будущего, в 90-х казалось, что он вытеснит кремний, как в своё время кремний выдавил германий. У нас работы по арсениду галлия велись на «Микроне» с середины 80-х до середины 90-х, но сейчас, судя по открытым источникам, все изделия основаны на кремнии.
Хрупкость кристаллической решётки GaAs мешала выращивать кристаллы большого диаметра и в итоге препятствовала серийному производству. Из-за высокой цены интегральные схемы на GaAs были доступны лишь военно-космическим структурам, не ограничивающим себя в бюджете. Опять же, к тому моменту, когда счёт числа транзисторов в чипе на базе GaAs шёл на десятки тысяч, на кремниевой подложке он перевалил за миллионы. Но выяснилось, что оксид галлия Ga2O3, в отличие от арсенида, менее требователен к добавкам, позволяющим управлять его параметрами, а это упрощает и удешевляет производство кристаллов. При этом кристаллы Ga2O3 можно выращивать практически на том же оборудовании, что и кремниевые, хотя сейчас их диаметр не превышает 100 мм. На таких пластинах можно печатать сверхбольшие интегральные схемы с уникальной устойчивостью к идущим через них токам.
Не будем забывать, что современная микроэлектроника – это не только гонка за нанометрами в угоду потребителю новых смартфонов, процессоров и видеокарт для домашних компьютеров. Практически все современные технологии и промышленные производства опираются на использование силовых микрокомпонент. Например, если преобразователь на кремниевых микросхемах, работающий под напряжением 1200 В и потребляющий около 3 кВт мощности, способен оперировать с частотой 20 кГц, то аналогичный на основе карбида кремния SiC при той же мощности держит около 150 кГц. Устройство на основе Ga2O3 спокойно работает на 1 МГц.
Однако массовый выпуск таких изделий требует решения ряда проблем. Дело в том, что Ga2O3 имеет пять кристаллических фаз: α, β, γ, δ и ε. Наиболее стабильной и подходящей для полупроводников является β-фаза, однако её не получить при атмосферном давлении, так как при охлаждении она переходит в α-фазу. Однако недавно китайцы разработали метод роста кристаллов Ga2O3 из расплава при обычном давлении. Выяснилось, что если добавить в расплав небольшое количество других элементов, β-фаза стабилизируется. В итоге китайцы синтезировали гетероструктуры (то есть выращенные на подложке структуры, состоящие из слоёв различных материалов) на основе Ga2O3 и других полупроводников с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии. То есть атомы или молекулы этих материалов осаждались на подложку тонкими слоями, создавая гетероструктуры с высокой степенью однородности и точности.
Микрокомпоненты на основе Ga2O3 могут работать при высоких напряжениях и температурах, потреблять меньше энергии, они компактнее и экономичнее в производстве приборов в таких областях, как военная электроника, силовая электроника, оптоэлектроника, биомедицина, безопасность и т.п. Хотя себестоимость будет немалой – для выращивания кристаллов Ga2O3 используются добавки из редкоземельных металлов. Впрочем, специалисты из НИТУ «МИСиС», ФТИ имени А. Ф. Иоффе и компании «Совершенные кристаллы» недавно разработали технологию относительно недорогого и эффективного выращивания кристалла Ga2O3 и управления его свойствами. В конце прошлого года компания «Зеленоградский нанотехнологический центр» планировала запустить первую в России экспериментальную линию по выпуску кристаллов транзисторов на основе нитрида галлия.
Отметим, что интерес мировых производителей силовых полупроводниковых приборов сейчас в первую очередь направлен на два новых материала – карбид кремния (SiC) и нитрид галлия (GaN). Карбид кремния считается более перспективным. SiC используется в оптоэлектронике в качестве подложек для светодиодов, для изготовления мощных силовых диодов и транзисторов, работающих при высоких температурах, устойчивых к радиации, а также к электрическимимагнитнымполям.Вперспективе–созданиенаих основе мазеров – квантовых усилителей, излучающих, в отличие от лазеров, микроволны сантиметрового диапазона.
Тем не менее нитрид галлия (GaN) имеет свои преимущества в области изготовления мощных приборов в сфере оптоэлектроники, высокочастотной, сверхвысокочастотной и силовой электроник до параметра 1000 вольт. Затраты на его изготовление ниже, чем у SiC и некоторых других материалов, а выращивание GaN на традиционных кремниевых подложках на два порядка дешевле, чем подложек из SiC, и позволяет создавать высококачественные GaN-транзисторы на пластинах большого диаметра. Совершенствование методов выращивания монокристаллов SiC и GaN в принципе позволяет отказаться от кремния в области силовой электроники. Более того, уже на их базе разработаны практически все типы изделий, которые пока ещё используют кремний. Но массовое внедрение этих материалов пока упирается в их высокую себестоимость.
9
Особое внимание уделяется нитриду бора (BN). Дело в том, что минимизация размеров металлических проводов, соединяющих различные компоненты на микросхеме, имеет решающее значение для миниатюризации устройств. Эти соединения изолированы друг от друга диэлектрическими слоями, то есть термически, химически и механически стабильными барьерами против проникновения металла в полупроводники. И чем меньше размеры микросхемы, тем выше требования к такому материалу. В 2020 году специалисты из Высшего технологического института Samsung в сотрудничестве с другими научными группами объявили об открытии нового материала – аморфного нитрида бора (a-BN). Превосходные диэлектрические качества a-BN, наряду с хорошими электрическими и механическими свойствами, позволят использовать его в качестве изоляционного материала для сокращения электрических помех. Кроме того, предполагается, что уникальные свойства a-BN приведут к созданию полупроводников нового поколения.
Интерес к бору привёл к созданию его соединения с мышьяком, арсенида бора (BAs). В 2020 году группа исследователей из Массачусетского технологического института объявила, что для изготовления микрочипов арсенид бора с кубической формой кристаллической решетки в 10 раз эффективнее кремния по теплои электропроводимости. Несмотря на некоторую шумиху вокруг BAs, перспективы его серийного использования в качестве полупроводника выходят за горизонт планирования этого десятилетия. Хотя способы промышленного производства BAs начали патентовать в нашей стране ещё с 1965 года.
Среди материалов, активно используемых для создания диэлектрических покрытий, оптически прозрачных в широком диапазоне длин волн, в последнее время обращает на себя внимание нитрид алюминия (AlN). У него высокая теплопроводность и малый коэффициент теплового расширения, высокая термическая и химическая стабильность, превосходные пьезоэлектрические характеристики и высокая скорость распространения акустических волн. То есть весьма перспективный материал в производстве оптических, оптоэлектронных, высокочастотных электроакустических устройств и датчиков, в солнечной энергетике и т.п. А оксидированный нитрид алюминия AlNO активно применяется в медицине. В настоящее время экспериментально отработаны технологические режимы получения гетерогенных структур на основе композиции SiC-AlN с заданными свойствами. Такие структуры могут использоваться в чувствительных элементах датчиков, работающих в экстремальных условиях.
В качестве материала для полупроводников интерес представляет индий – лёгкий и мягкий металл, который режется обычным ножом. Его открыли в 1863 году, но первое промышленное применение имело место во время Второй мировой войны – его наносили на подшипники для авиамоторов. К концу 1980-х были разработаны полупроводники из фосфида индия (InP) и тонких плёнок из смеси оксидов индия и олова (ITO – indiumtin oxide) для жидкокристаллических дисплеев. Интегральные схемы и устройства на основе InP весьма перспективны для модулей систем связи с малым уровнем шума.
Антимонид индия (InSb) получают методом электрохимического синтеза из раствора солей сурьмы и индия. Его монокристаллы применяются в производстве туннельных диодов, гальваномагнитных приборов, оптоэлектронных приборов для контроля окружающей среды, а также в военной технике, например, в качестве приёмников теплового излучения для средней области ИКспектра. А нитрид индия (InN) используется для создания высокоэффективных светодиодов и полупроводниковых лазеров. Что касается арсенида индия (InAs), то в настоящее время этот полупроводник не только широко используется в фотодиодах инфракрасного диапазона, но и рассматривается в качестве «строительного блока» для альтернативных инфракрасных лазеров и терагерцовых генераторов. Весьма интересна и гетероструктура на основе арсенида – антимонида – висмутида индия, содержащая подложку из антимонида индия и наслоения из индия, мышьяка, сурьмы и висмута. Чем ещё хорош индий – его много, и он недорогой.
Большой потенциал по замене кремния имеет технология с применением материалов с высокой диэлектрической проницаемостью, таких как оксид гафния (HfO2). Он уже применяется в микроэлектронной промышленности, например, в процессорах Intel. Несколько лет назад специалисты из нашего МФТИ, изучая свойства HfO2, предложили на его основе запоминающие ячейки для компьютеров нового поколения.
Конкурентом кремния могут оказаться и весьма экзотические материалы. Так, в 2018 году американским учёным удалось создать новый тип перспективного полупроводника, состоящий из хлорид-селенида рения Re6Se8Cl2. Нюанс в том, что это соединение представляет собой так называемый суператом, то есть структуру, объединяющую несколько атомов в единое нечто, которое ведёт себя как отдельный атом, но со свойствами, превосходящими свойства своих «компаньонов». Хотя его тут же назвали «лучшим полупроводником для передачи энергии», реальное создание микросхем на его основе пока не предвидится – здесь придётся начинать с нуля, как в своё время было с кремнием, и к тому же рений – один из самых редких и дорогих элементов. Тем не менее использование суператомных структур в качестве полупроводников – перспективное направление в поисках новых материалов.
Но самое интересное, что оптимальным заменителем кремния может оказаться такой весьма распространённый элемент, как углерод.
Окончание следует
Марина ГЕВОРКЯН