Что касается САПР, то в начале 80-х годов компании Daisy, Valid и
Mentor Graphics разработали свои системы на базе рабочих станций (Sun, Apollo),
в рамках которых объединялись ввод принципиальной схемы, система моделирования
и средства конструкторского проектирования. Таким образом, произошло объединение
средств САЕ и CAD. В 1985 году эти фирмы с большим успехом вышли на мировой
рынок. Это и было рождением индустрии EDA.
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.
Что
касается полупроводниковых гетероструктур: когда вы, в том числе и на очень малых
размерах, меняете химические свойства, состав, а также принципиально меняете
массу свойств, включая и энергетический спектр электронов, вы создаете
материалы, которых в природе не существует, которые Бог – по тем или иным
причинам – не догадался создать. И в этих кристаллах, в этих материалах вы
принципиально получаете совершенно новые свойства. Это стало, вообще говоря,
реальностью уже в самом конце 70-х и даже в конце 60-х гг., когда были получены
первые идеальные гетероструктуры арсенид галлия и арсенид алюминия в нашей
лаборатории – и это направление стало бурно развиваться.
Но
потом, я думаю, произошла чрезвычайно важная вещь: когда мы в этих размерах при
исследованиях полупроводниковых гетероструктур подошли к размерам, сравнимым с
длиной волны электрона, тогда появилась масса новых свойств. Квантово-размерные
явления стали определять свойства этих, сделанных человеком, кристаллов. И
стало возможным существование тех кристаллов, которые получили название
«квантовые ямы», «квантовые проволоки», а в последние десятилетия – «квантовые
точки». Возникла новая физика низкоразмерных электронных систем, включая
квантовые точки нуль-размерных электронных систем.
Я
хотел бы подчеркнуть, что практически все достижения физики полупроводников,
которые имеют отношение к развитию наноструктур ультрамалых размеров, связаны,
прежде всего, с развитием технологии. Я думаю, что это чрезвычайно важно для
всего понимания развития микроэлектроники, электронных технологий,
информационных технологий в целом во второй половине XX в. Развитие
физических исследований стало возможным по-настоящему только после того, как
технология получения полупроводниковых кристаллов и материалов вышла на
совершенно другой уровень.
Поскольку
я вырос в Физико-техническом институте им. А.И. Иоффе, где проведение
систематических полупроводниковых исследований было начато в конце 20-х – начале
30-х гг., я прекрасно знаю, как в самом начале 50-х гг. относились к нам,
«полупроводниковцам», физики-ядерщики, представители других направлений. Я
помню, как Анатолий Петрович Александров, когда он просил меня сделать
полупроводниковое устройство для первой советской атомной лодки, говорил:
«Жорес, а они работать-то будут?» Ведь считалось, что это полупроводниковая
«кухня» и один образец может сильно отличаться от другого.
Ситуация
кардинально изменилась после открытия транзисторов и развития германиевой и
кремниевой технологии. И уже совершенно иной она была тогда, когда мы развивали
исследования в области физики полупроводниковых гетероструктур. Практически
все, в том числе и крупнейшие физические достижения, связаны с развитием
технологии.
Если
говорить о развитии нанотехнологии в этой области, то она связана, прежде
всего, с разработкой трех методов эпитаксиального выращивания полупроводниковых
структур. Это первый, сравнительно дешевый способ, с помощью которого удалось
достичь основных принципиальных результатов, в том числе получить наноструктуры
с размерами слоев, исчисляемых единицами нанометров. Это технология так
называемой жидкостной эпитаксии, кристаллизации полупроводниковых структур из
растворов расплавов. Химический состав растворов расплавов задается очень
просто, а процесс кристаллизации является по-настоящему деликатным процессом, в
котором при очень точной регулировке температур, с использованием, в том числе,
и неравновесных термодинамических процессов, удавалось получать структуры с
такими размерами слоев.
Но
конечно, будущее связано с двумя технологическими методами. Во-первых, метода
молекулярной эпитаксии, в развитие которого много было вложено и Новосибирским
институтом физики полупроводников. И этот институт по сей день является одним
из мощных центров развития этой технологии, признанных в мире, а также
технологии, ставшей основой промышленного производства очень многих приборов,
систем, массового производства светодиодов (скажем, масштабы светодиодов
сегодня, в том числе и для освещения, определяются уже размерами продаж,
приближающимися к 10 млрд долларов). Мощная ветвь полупроводниковой индустрии,
которая будет расти все дальше и дальше и сыграет, по оценкам экспертов, к 2030 г.
важную роль в смене примерно 50% освещения на лампах на светодиодах, на
наноструктурах, на наногетероструктурах и сэкономит примерно 10% электроэнергии
в мире. Основа этого – солнечные батареи на гетероструктурах; и уже подсчитано,
что к 2030 г. суммарная мощность наземных электрических станций составит
около 200 гигаватт, что заметно превышает суммарную мощность электростанций
России на сегодняшний день. И здесь существенную роль играет опять же
технология мосгидридной эпитаксии, и этот метод стал основой индустриального
производства очень многих материалов.
Я
бы хотел подчеркнуть, что наряду с развитием реальной нанотехнологии и
крупномасштабным производством только на основе полупроводниковых
гетероструктур, объемы продаж всех материалов сегодня составляют десятки
миллиардов долларов, а влияние этой технологии в целом на развитие
микроэлектроники и электронных технологий можно назвать гигантским.
Отмечу
еще и следующую вещь: ценность этих направлений заключается, прежде всего, в
новых физических явлениях. К примеру, такая вещь, как низкоразмерные
электронные системы, стали массовыми и в промышленном производстве, и в
физических исследованиях. И если, скажем, в начале 70-х гг. наши доклады на
международных конференциях были единичными, то сегодня две трети (даже три
четверти) докладов на полупроводниковых физических конференциях – это доклады,
посвященные наногетероструктурам, физике электронных систем с низкоразмерным
электронным газом. И среди новых физических явлений, которыми физика
обогатилась за эти десятилетия, я бы в первую очередь назвал одно из уникальных
открытий второй половины XX в. Это открытие дробного квантового
холл-эффекта, сделанное Штормером и Цуи и теоретически объясненное Лохлином,
ставшее возможным только благодаря наногетероструктурам, «квантовым ямам»
высокого совершенства, в которых электронный газ можно было получить с
уникально высокими подвижностями. Открытие этого явления при низких
температурах в сверхсильных магнитных полях привело к тому, что объяснить его
оказалось возможным, только предположив, что у квантовой жидкости существуют
свойства, которые не существуют для отдельно взятых частиц.
Председатель
комитета по физике, который представлял эту работу, отмеченную Нобелевской
премией в 98 г., подчеркнул, что в ней не соблюдается правило Ландау. Дело в
том, что один из принципов Ландау таков: если вы знаете свойства частиц, то на
основании знания этих свойств вы можете описать и свойства ансамбля.
Председатель комитета по физике сформулировал этот принцип так: 1+1=2. Но
иногда это простое арифметическое правило не выполняется. В физике это, как
правило, ведет к Нобелевским премиям. Это случилось и с дробным квантовым
холл-эффектом, потому что оказалось, что свойства квантовой жидкости можно
объяснить, только предположив, что дробные квантовые заряды у частиц, у
электронов, которых реально у каждого электрона нет, есть у ансамбля (Лохлин 4
года назад говорил об этом в своей лекции под названием «Конец редукционизма»,
которую он читал у нас в Петербурге). И это явление, с моей точки зрения,
знаковое: дробный квантовый холл-эффект, открытый в 82 г., и последовавшие за
ним исследования показывают, что на самом деле и сегодня в нашей физике есть
явление, которое мы не можем объяснить. Это следующий шаг и очень яркая
демонстрация физики наноструктур. Вместе с тем, это яркая демонстрация успехов
нанотехнологии.
Я
хорошо знаю Штормера, и Цуи, и Лохлина и помню, как Штормер всегда гордился не
только тем, что он открыл дробный квантовый холл-эффект, но и тем, что он
является автором так называемого модуляционного лигирования гетероструктур,
которое позволило получать квантовые наногетероструктуры с очень высокой
подвижностью. И это пример развития нанотехнологии, которая привела к
драматическим, очень ярким новым физическим явлениям и оказалась возможной
только благодаря развитию физики и технологии гетероструктур «men make
crystals».
Сегодня
мы очень многого ждем от нанотехнологии, очень много говорим об этом (в
частности, в послании президента Федеральному собранию говорилось об этом). На
самом деле уже с конца 90-х гг. лозунг «Нанотехнологии» в США и в ряде других
стран стал использоваться для того, чтобы получать большие средства от
правительств и государств. И я думаю, чрезвычайно важно те средства, которые
будут выделяться у нас, использовать для развития научных исследований
технологии, диагностики в целом. И очень важно при этом понимать, что
конкретные новые явления мы часто не можем предсказать, поэтому нужно
предоставить очень многим лабораториям страны возможность работать с
совершенными системами молекулярной мосгидридной эпитаксии, а также
использовать самые современные диагностические средства – тогда, я думаю, у
нас, безусловно, появится масса новых результатов; и в этом, с моей точки зрения,
огромную роль играет международное научное сотрудничество.
У
нас в России и в Советском Союзе подобные традиции существовали всегда. На мой
взгляд, такое положение дел будет сохраняться и дальше, и в этой области нас
ждут ценные неожиданные открытия. Вы понимаете, что в очень коротком
пятнадцатиминутном выступлении я не могу рассказывать детально об одной из
самых интересных областей физики и технологии полупроводников, которой я лично
занимаюсь с 62 г. (уже 45 лет). Хотел бы подчеркнуть в сегодняшнем докладе,
посвященном 50-летию одного из самых замечательных научных центров мира – Сибирского
отделения Российской академии наук, – что исследования физики полупроводниковых
гетероструктур мы ведем совместно начиная с 64 г. Поэтому этот центр нужно
очень высоко ценить.
Я
боюсь, что у меня не будет возможности так долго говорить о юбилее Сибирского
отделения… Я очень рад быть здесь уже второй раз в этом году и хотел бы
сказать, что Сибирское отделение, юбилей которого мы отмечаем, в мировом
рейтинге научных организаций стоит на первом месте среди всех научных
организаций России и обгоняет всю Российскую академию наук на 40 номеров!
Поздравляю Сибирское отделение! (Аплодисменты.)
Заключение
Нобелевский лауреат Ж. Алферов отметил, что в XX веке состоялось три
основных открытия: искусственное деление урана, транзисторы, лазеры. Среди
наиболее значимым для человечества является появление транзистора на
полупроводниках и последовавшее за этим создание и развитие микро- и
оптоэлектроники – основы современной техники связи и информатики.
Физика полупроводников развивалась на протяжении XIX–XX веков полупроводниковые
диоды пришли на смену вакуумным лампам, были изобретены на основе
полупроводников фотодиоды, фотоэлементы, интегральные микросхемы, а
следовательно это привело к развитию ЭВМ и ПК.
На протяжении двух столетий такие учение как Дэви, Беккерей, Пирс,
Столетов, Иоффе, Бардин, Браттейн, Шокли, Алферов внесли огромный вклад в
развитие физике полупроводников.
На данный момент решаются проблемы физики полупроводников
гетроструктуры в полупроводниках, квантовые ямы и точки, заряды, спиновые
волны, мезоскопия.