В последние годы мировая отрасль микроэлектроники находится на подъеме. Лидеры в производстве микрочипов ― это США, Китай и Южная Корея. Но и у России в этой области есть свой опыт. Сегодня главный российский специалист по электронной компонентной базе, академик РАН Геннадий Красников уверен, что фора между отечественными и зарубежными производителями сократилась.

В нашей стране производством различных микроэлектронных компонентов, в основном, занимаются на засекреченных предприятиях. Коллектив специалистов и ученых здесь сложился давно: многие пришли сюда студентами, отучились, защитились, а теперь сражаются в мировой гонке идей по созданию современных разработок в области микроэлектроники. По мнению научных экспертов, в нашей стране необходимо создать такую технологическую независимость, чтобы Россия могла спокойно жить и иметь устойчивую банковскую, транспортную системы, связь, а это в первую очередь связано с развитием микроэлектронных технологий.

Полсотни новых лабораторий и 25 учебных дизайн-центров появятся в ближайшие годы в России в рамках программы развития отечественного электронного машиностроения и микроэлектронных компонентов. Об этом заявили в Правительстве страны. Сессия по микроэлектронике была посвящена укреплению технологического суверенитета страны. На его развитие отрасль будет получать беспрецедентное финансирование в течение восьми лет. А направлять процесс в нужное русло будут ученые, от которых требуется активное участие для разработки и внедрения самых передовых образцов промышленной продукции.

География современного отечественного комплекса электронной промышленности достаточно широка. В первую очередь надо отметить Зеленоград с его НИИ молекулярной электроники и многочисленными заводами. Здесь же расположены НИИ точного машиностроения, НИИ материаловедения, МИЭТ и его технопарк. Есть множество предприятий в подмосковной Черноголовке, Санкт-Петербурге, Воронеже, Нижнем Новгороде, Новосибирске и других регионах России. Налажено плотное сотрудничество российских ученых с коллегами и предприятиями из Белоруссии.

Геннадий Красников, возглавляющий ведущий в отрасли НИИ молекулярной электроники, рассказал о ряде важных направлений, требующих сейчас особого внимания. В частности, кроме возрождения отечественного электронного машиностроения, разработки новых технологических процессов, ученые сталкиваются с проблемой получения особо чистых материалов, их доставки, методик измерения степени их чистоты.

Коснулся Геннадий Яковлевич и уже полученных результатов, которые могут составить конкуренцию западным на современном рынке. В частности, это новые виды памяти, которые сегодня востребованы для нейроморфных вычислений, новые материалы, к примеру – нитрид галлия на кремнии, очень интересное направление 3D по созданию так называемых интерпозеров – это кремниевых чипов, которые могут объединять в себе куда больше элементов из различных материалов, чем обычная печатная плата из армированного стеклопластика. С помощью интерпозеров, например, можно будет делать компьютеры меньшего размера и с большей вычислительной мощностью. Сейчас все ученые мира работают над тем, чтобы сделать память энергонезависимой и более миниатюрной. Это, в свою очередь, позволит поменять архитектуру микропроцессора, приблизив ее к архитектуре человеческого мозга.

Одним из ведущих центров по разработке микроэлектроники и компонентов для нее является НИЦ «Курчатовский институт». Недавнее фундаментальное достижение сотрудников лаборатории новых элементов наноэлектроники под руководством профессора, доктора физико-математических наук Вячеслава Сторчака сформировало новые принципы синтеза элементов спинтроники – раздела квантовой электроники, занимающийся изучением спинового токопереноса. В устройствах спинтроники, в отличие от устройств обычной электроники, энергию или информацию переносит не электрический ток, а ток спинов. Физики разработали новую стратегию получения перспективных материалов для электроники. Они создаются путем интеграции двух компонентов – кремния и функционального оксида, который формируется в виде тонкой пленки. Суть заключается в управлении границей раздела между этими двумя веществами. Предложенный подход универсален и позволит в будущем получить большое разнообразие структур с уникальными свойствами, которые будут востребованы для создания энергоэффективных устройств.

“Кремниевая электроника подошла к своему технологическому пределу. Сегодня для создания компактных устройств с низким потреблением энергии необходимы новые материалы. Они, с одной стороны, должны задействовать существующую кремниевую технологическую платформу, а с другой — обладать свойствами, которые у кремния отсутствуют. Функциональные оксиды, ввиду многообразия и уникальности их свойств, представляют собой целый класс материалов, перспективный для интеграции с кремнием, – рассказывает руководитель Вячеслав Сторчак. – В данной работе особое внимание уделено созданию спинового контакта оксида европия – ферромагнитного полупроводника – и кремния. Такая структура позволяет осуществить прямую инжекцию спин-поляризованных электронов в кремний, поэтому она востребована для разработки новых устройств спинтроники”.

До недавнего времени последовательное улучшение характеристик приборов микроэлектроники достигалось, главным образом, путем уменьшения линейных размеров логики и памяти. Однако миниатюризация элементов микросхем ведет к тому, что в силу различных фундаментальных физических ограничений перестают работать принципы, положенные в основу действия устройств на основе кремния. В настоящее время вектор развития электроники направлен в сторону уменьшения потребляемой мощности и тепловыделения. Спинтроника может предложить решение этой проблемы. Замена заряда электрона на его спин в качестве носителя информации в элементах спиновой электроники позволяет значительно уменьшить мощности приборов. Современная электроника основана на кремниевой платформе. Однако кремний немагнитен: спин-поляризованные электроны отсутствуют в чисто кремниевых структурах. Инжекция спинов из ферромагнитного материала, интегрированного с кремнием, позволяет преодолеть это ограничение.

В работе курчатовцев показано, что интеграция материалов осуществляется через один и тот же универсальный интерфейс. Так ученые называют двумерную структуру, которая формируется на границе между кремниевой основой и функциональным оксидом и связывает их в единую систему. Специалисты подробно изучили строение и функциональные особенности интерфейса, поскольку он имеет ключевое значение в процессе интеграции двух компонентов. Теперь на основе этих данных можно создать множество новых структур для разнообразных приложений, которые будут зависеть от типа выбранного функционального оксида.

Оксид европия — наиболее подходящий кандидат для инжекции спин-поляризованных электронов в кремний, так как он имеет ряд уникальных свойств: простую структуру, стабильность при контакте с кремнием, полную спиновую поляризацию. Новый материал на основе кремния и оксида европия был синтезирован методом молекулярно-лучевой эпитаксии путем «выращивания» тонких слоев оксида на подложке из кремния. Материал обладает магнитными свойствами, которые будут актуальны для разработки новых электронных устройств с низким потреблением энергии.

“В частности, мы предлагаем отойти от существующих методов, доминирующих в исследованиях в области интеграции функциональных оксидов с кремниевой платформой вот уже более 25 лет, – продолжает Вячеслав Сторчак. – В нашем нынешнем подходе, а именно отказе от пассивации поверхности кремния атомами металла, заложены основы нового направления – управления интерфейсом для создания функциональных гетероструктур”.

Дальнейшее развитие этого направления предполагает расширение набора интегрируемых материалов, а также технологических платформ. Разработанный учеными универсальный подход станет основой для этих экспериментов. В частности, специалисты планируют осуществить прямую интеграцию функциональных материалов с существующими промышленными полупроводниками, такими как германий, арсенид и нитрид галлия.

От автора: Микроэлектроника на сегодня, пожалуй, это самая сложная из когда-либо созданных человеком технологий. И рассказ об этом сложнейшем изобретении человечества, как и о его создателях, не может быть ограничен рамками и объемом нескольких статей. Мы продолжим следить за успехами российской микроэлектроники в следующих выпусках рубрики «Наука в деталях».

Фото: из личного архива В. Сторчака и открытых источников