Научно-техническая публицистика
УДК 621.3.049.77«313»
ПЕРСПЕКТИВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ В РОССИИ.
Ч. 2. Гетероструктурная электроника и акустоэлектроника1
Ж. И. Алферов
В прошлом номере мы публиковали первую часть статьи Жореса Ивановича Алферова, посвященную проблемам полупроводниковой электроники России. Сейчас мы предлагаем вашему вниманию вторую часть статьи, посвященную наиболее перспективным направлениям отечественной микроэлектроники, в которых, с одной стороны, у российских специалистов есть определенный научный и технологический задел, а с другой — в развитие которых требуются не столь большие инвестиции, как в производство СБИС.
ГЕТЕРОСТРУКТУРНАЯ СВЧ ЭЛЕКТРОНИКА
В отличие от технологии кремниевых СБИС, доминирующей в системах обработки информации, наногетероструктурная электроника становится доминирующей в системах передачи информации. Эта новейшая наукоемкая технология определяет стремительный прогресс современных средств связи, а также современных электронных средств вооружений (бортовых и наземных радиолокаторов, средств радиоэлектронной борьбы и т. д.). Она базируется на высокопрецизионных наногетероструктурах и обеспечивает наивысшие скорости пролета электронов в приборах и минимальные диссипативные потери, позволяет управлять шириной запрещенных зон в наногетерост-руктурах. Именно эта технология позволяет создавать самые высокоскоростные и высокочастотные твердотельные приборы с рекордным усилением, с минимальными шумами (для приемных устройств) и максимальной выходной мощностью и КПД (для передающих устройств). Ширина затвора у современных гетеростурктурных транзисторов достигает 20—30 нм, т. е. меньше де-брой-левской длины волны электрона, что позволяет называть такие приборы первыми продуктами промышленной наноэлектроники, а наногетеро-структурную электронику — фактически первой приборной электронной нанотехнологией.
Созданный в последние десятилетия научный и технологический задел по физике и технологии
1 Продолжение. Начало см. в №3, 2005. Печатается с разрешения журнала "Электроника. Наука. Технология. Бизнес".
наногетероструктур и по технологии изготовления приборов на их основе придал мощный импульс стремительному промышленному освоению этой новейшей технологии. Пока, к сожалению, за рубежом. Объем мировых продаж только самих гетероструктурных транзисторов и монолитных ИС (МИС) уже приблизился к 7—8 млрд. долларов в год, ежегодно увеличиваясь более чем на 30 %. По всем прогнозам, рынок этих изделий в ближайшие 12—15 лет будет оставаться наиболее привлекательным для инвестиций.
Наиболее массовой областью применения этой технологии является сотовая связь. Она занимает около 57 % "гетероструктурного" рынка — гете-ротранзисторы содержит почти каждый сотовый телефон. Около 23 % рынка занимает быстропрог-рессирующая высокоскоростная волоконно-оптическая связь, потребляющая гетероструктурные МИС на частоты до 60 ГГц и выше. Ведутся разработки приборов на частоты свыше 100 ГГц.
Около 12 % рынка принадлежит так называемой потребительской электронике, связанной с цифровым ТВ (частоты от 12 до 30—40 ГГц). Кроме того, быстро растет рынок гетероструктурных МИС на частоты 70—77 ГГц для автомобильных радаров (системы предотвращения столкновений), а также рынок СВЧ МИС для спутниковой связи на частоты до 60 ГГц. Перспективно применение гетероструктурной СВЧ-электроники и в беспроводных системах широкополосного доступа в диапазоне 40—60 ГГц и выше (например, системы стандарта IEEE 802.16).
Около 3—4 % рынка гетероструктур занимает военная электроника. В основном, это бортовые и
наземные радиолокаторы на активных фазированных антенных решетках (АФАР) Х-диапазона (около 10 ГГц).
Жизнь показывает, что там, где требуются рабочие частоты выше 4—5 ГГц, наногетерострук-турная технология быстро вытесняет кремниевую и классическую GaAs MESFET-технологию (MESFET — metalized semiconductor field-effect transistor, полевой транзистор с затвором Шотки), завоевывая все большую долю мирового телекоммуникационного и радиолокационного рынков.
В России современной промышленной гете-роструктурной технологии пока нет — ни в части массового производства наногетероструктур, ни производства гетеротранзисторов, и тем более — микросхем. Сквозного, унифицированного и лицензированного СВЧ САПР также нет. Коммерческий рынок в стране не сформирован, доминирует оборонный госзаказ, т. е. ситуация близка к тому, что было за рубежом в 80-х годах. Текущее финансирование полностью расходуется на НИОКР, необходимого обновления технологической базы не происходит уже более 15 лет.
В последние годы ситуация начинает меняться к лучшему. В ФГУП "Исток" на выделенные Правительством инвестиции идет создание современной промышленной технологической линии по производству СВЧ микросхем с проектными нормами до 0,1 мкм и с объемом выпуска до 1 млн. шт. в год. Ввод ее эксплуатацию планируется в ближайшие 2—3 года. Отечественный рынок для гетероструктурной электроники относительно невелик; его потребность, связанная с гетероструктурными СВЧ приборами для прие-мо-передающих модулей АФАР Х- и К-диапа-зонов, составляет около 200 тыс. приборов в год. Наиболее крупными потребителями выступают ОАО ОКБ "Сухой", корпорация "Фазотрон" и концерн ПВО "Алмаз-Антей". Гражданский сегмент рынка для отечественной СВЧ-гетероэлектрони-ки пока отсутствует.
В то же время в РАН (Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе, Институт СВЧ полупроводниковой электроники, Институт физики полупроводников СО РАН и др.) работы не прекращались даже в самые тяжелые времена. Российскими учеными создан достаточно мощный научный и технологический задел по всем направлениям наногетероструктурной электроники: от физики и технологии самых современных гетеро-структур до исследований в области моделирования и проектирования приборов и технологии изготовления наногетероструктурных СВЧ МИС с размерами элемента до 0,2 мкм. Что особенно важно, имеются высококвалифицированные кадры ученых, известные научные школы, способные в кооперации со специалистами промышленности в кратчайшие сроки (3—5 лет) решить задачу
создания в России промышленной наногетероструктурной электроники мирового уровня.
Однако для этого необходимо создать несколько специализированных научных и промышленных Центров, оснащенных самым современным технологическим и исследовательским оборудованием: в Санкт-Петербурге на базе ФТИ им. А. Ф. Иоффе, в Москве на базе ИСВЧПЭ РАН, возможно, и в других городах. Стоимость одного комплекта оборудования для такого центра составляет около 20—25 млн. евро.
ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ НА ГЕТЕРОСТУРКТУРАХ
Оптоэлектронные приборы на основе полупроводниковых гетероструктур являются основной элементной базой для ряда динамично развивающихся направлений современной электронной техники. Важнейшие среди них — системы связи и телекоммуникаций (спутниковые, мобильные, волоконно-оптические); навигационные и радиолокационные системы; космические системы различного назначения, в том числе — источники энергии для космических аппаратов; сверхбыстродействующие вычислительные устройства и системы обработки информации; датчики и сенсоры различного типа.
В наиболее технологически развитых странах (США, Япония, Франция, Германия, ряд восточно-азиатских государств) производство оптоэлект-ронных полупроводниковых гетероструктурных приборов вышло из фазы лабораторных исследований и представляет собой самостоятельное направление полупроводниковой промышленности. Российской науке принадлежит ряд приоритетных результатов в области физики полупроводниковых гетероструктур. К сожалению, по известным причинам, широкого внедрения соответствующих технологий в отечественную промышленность не произошло. Сегодня отставание российской промышленности от передового зарубежного уровня в области полупроводниковых гетероструктурных приборов весьма существенно. Однако, в сравнении с технологией кремниевых СБИС, его преодоление потребует на порядок меньших средств.
Назовем основные направления в области ге-тероструктурных оптоэлектронных приборов.
СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ НА ГЕТЕРОСТРУКТУРАХ
Фотоэлектрический метод преобразования солнечной энергии наиболее перспективен среди нетрадиционных методов получения электроэнергии. Солнечные батареи являются основными источниками электроэнергии на космических аппаратах и получают все большее применение на Земле. Наиболее многообещающий путь увеличения эффективности солнечных батарей — исполь-
зование гетероструктурных солнечных элементов из арсенида галлия и родственных ему соединений группы А3В5. Такие солнечные элементы были впервые в мире предложены и созданы в ФТИ им. А. Ф. Иоффе в 1969 году. С тех пор в ФТИ был выполнен большой объем исследований и разработок, многие из которых имеют приоритетный характер. Одним из результатов этих работ явилась организация в стране производства гетерост-руктурных солнечных батарей, установленных на ряде космических аппаратов, в том числе на орбитальной станции "Мир".
Разработанные в последние годы каскадные солнечные элементы обеспечивают повышенное значение КПД (в условиях космоса до 30 %); увеличение удельного энергосъема с солнечных батарей до 300 Вт/м2; улучшение радиационной стойкости (срок эксплуатации таких батарей до 10—15 лет на геосинхронной орбите); возможность работы при высокой концентрированности солнечного излучения. Объем производства (в основном в США) гетероструктурных космических батарей превышает 1000 м2/год. В РФ выпуск ге-тероструктурных батарей прекращен из-за отсутствия в стране современного технологического оборудования и недостаточного финансирования разработок перспективных типов солнечных батарей.
КПД "наземных" каскадных солнечных элементов, разработанных как в ФТИ, так и в других исследовательских центрах, достигает значений более 33 % при концентрированной засветке. При степени концентрирования излучения 100—1000 крат площадь солнечных элементов, необходимая для выработки эквивалентной электрической мощности, пропорционально уменьшается. Это обеспечивает существенное снижение стоимости электроэнергии, вырабатываемо
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.