Сотрудники НОЦ «Квантовые приборы и нанотехнологии» ФИАН и МИЭТ разработали технологию получения быстродействующей электронной компонентной базы нового поколения на основе квантовых эффектов резонансного туннелирования. Речь идет о технологии монолитной планарной интеграции резонансно-туннельных диодов, полевых транзисторов и диодов Шоттки. Она позволяет существенно увеличить быстродействие, снизить количество активных элементов цифровых интегральных схем и полностью совместима со стандартной технологией арсенид-галлиевых интегральных схем.

История твердотельной электроники началась с изобретения транзистора в 1947 году. С тех пор развитие электроники идёт по пути повышения быстродействия и увеличения плотности компоновки активных приборов в интегральной схеме, что достигается уменьшением их характерных размеров. На этом, более чем полувековом пути решались в основном технологические проблемы, однако уже в ближайшие годы ожидается появление трудностей фундаментального характера, которые обусловлены тем, что

размеры приборов уменьшились настолько, что достигли значений длины волны электрона в полупроводниках, то есть нескольких десятков нанометров.

«Если длина волны электрона становится сравнимой с характерным размером прибора, например, с размером затвора полевого транзистора, то электрон ведёт себя как волна – возникают явления интерференции и дифракции. Поток электронов в таком приборе уже не описывается простой гидродинамической моделью, подобно потоку воды в трубе с краном, роль которого в транзисторе выполняет затвор. Тут уместны уже другие аналогии, например, распространение волн по поверхности воды. Если поперёк направления распространения волн поместить плоскую пластинку – аналог затвора в полевом транзисторе, то волны будут частично отражаться от пластинки и складываться с падающими волнами – явление интерференции, а частично огибать пластинку и проходить дальше – явление дифракции. И возникает большой вопрос – а будет ли вообще это устройство работать как транзистор? Или все выльется в "игрушку» для нескольких продвинутых физиков, не имеющую никакого прикладного значения?", – говорит заведующий лабораторией молекулярно-пучковой эпитаксии ФИАН, кандидат физ.-мат. наук Игорь Казаков.

Для выхода из сложившейся ситуации необходим переход к новым физическим принципам и трёхмерной интеграции приборов в интегральной схеме. Сотрудники научно-образовательного центра «Квантовые приборы и нанотехнологии» ФИАН-МИЭТ под руководством академика Юрия Васильевича Копаева и члена-корреспондента Александра Алексеевича Горбацевича развивают направление квантово-классических интегральных схем. Это направление подразумевает, что электронные приборы, работающие на классических физических принципах, – например, транзистры и диоды – будут монолитно интегрированы с приборами, построенными на квантовых принципах резонансного туннелирования, – резонансно-туннельными диодами, сверхрешётками.

«Интегрированы» – означает «расположены в одной интегральной схеме», а «монолитно» – то есть «изготовлены в объёме одного полупроводникового кристалла». В отличие от гибридной технологии, где отдельные готовые приборы «приклеиваются» на интегральную схему, монолитные интегрированные структуры, которые получаются в процессе эпитаксиального роста, более перспективны. Они обеспечивают более высокую плотность компоновки приборов, позволяют избавиться от мелких структурных элементов, межсоединений и применять наиболее производительные групповые методы изготовления интегральных схем", – поясняет Игорь Петрович.

Одним из наиболее перспективных направлений в функционально интегрированной электронике** является использование эффекта резонансного туннелирования. Именно в этом направлении в твердотельной электронике достигнуты мировые рекорды по быстродействию, сравнимые с быстродействием сверхпроводящих устройств. Простейшим электронным прибором такого типа является резонансно-туннельный диод (РТД), обладающий способностью мгновенно (за время порядка 1 пс) переключаться из одного устойчивого состояние в другое благодаря своеобразной вольт-амперной характеристике (ВАХ), имеющей N-образный вид.

Рис. 1. Вольт-амперная характеристика резонансно-туннельного диода.

Важно, что достижение такого высокого быстродействия возможно в РТД, латеральные размеры которого порядка 0,1 мкм, а не десятки нанометров, как затворы современных полевых транзисторов. Это позволяет создавать приборы с высоким быстродействием даже на оборудовании 20-летней давности.

«Для России это в какой-то мере шанс проявить себя в области мировых передовых разработок элементной базы электроники, где наши позиции 60–70-х годов, как страны-производителя абсолютно всей номенклатуры электроники гражданского и военного назначения, были утеряны. За всю историю таких самодостаточных "электронных империй» было только две – СССР и США, даже Япония в военной электронике им уступала. И если в технологическом плане мы сейчас настолько отстали, что просто экономически не выгодно «поднимать всё с нуля», рассчитывая только на свои разработки, то физические школы у нас ещё сохранились на очень высоком уровне", – говорит Казаков.

Итак, схемы на функционально интегрированных элементах РТД/транзистор могут быть спроектированы с меньшим количеством компонентов, обладать более высоким быстродействием и меньшей потребляемой мощностью, чем схемы на транзисторах. Исследования по функциональной интеграции резонансно-туннельных диодов, полевых транзисторов и диодов Шоттки требуют разработки всего комплекса технологических и метрологических методов и устройств, обеспечивающих выращивание гетероструктур на основе GaAs высокого качества с непрерывным контролем поверхности роста и последующее изготовление интегральных схем на их основе.

В НОЦ ФИАН-МИЭТ такой комплекс был создан, также уже созданы первые опытные образцы базовых элементов цифровых интегральных схем – инвертора и компаратора. Одним из важнейших результатов этой работы является разработка методики оптического мониторинга процесса выращивания полупроводниковых гетероструктур с толщиной отдельных слоёв менее 5 нм методом анизотропного отражения, позволяющая контролировать толщину с разрешением в 1 монослой в реальном масштабе времени, что крайне важно для изготовления РТД. Эта работа ФИАНовских физиков была отмечена в числе наиболее значимых достижений, полученных в мире с использованием оборудования производства компании LayTec (для этого использовался спектрометр EpiRAS IR TT фирмы LayTec, смонтированный на ФИАНовской установке молекулярно-пучковой эпитаксии).

В настоящее время в Физическом институте им. П.Н.Лебедева РАН заканчивается строительство нового помещения для лаборатории молекулярно-пучковой эпитаксии с самым современным технологическим оснащением и необходимым уровнем чистоты (класса 1000 с локальными зонами класса 100). В этом особо чистом помещении будут размещены две современные установки молекулярно-пучковой эпитаксии фирмы RIBER для выращивания полупроводниковых гетероструктур и установка для производства жидкого азота.

По совокупности технического оснащения и уровню чистоты производственных помещений аналогов такой лаборатории в России нет.