eng
Выпуск #6/2004
Ж.Алферов.
Перспективы электроники в России. Гетероструктурная электроника и акустоэлектроника
Перспективы электроники в России. Гетероструктурная электроника и акустоэлектроника
Просмотры: 3665
В прошлом номере мы опубликовали первую часть статьи Жореса Ивановича Алферова, посвященную проблемам полупроводниковой электроники России. Предлагаемая вашему вниманию ее вторая часть посвящена наиболее перспективным направлениям отечественной микроэлектроники, в которых, с одной стороны, у российских специалистов есть определенный научный и технологический задел, а с другой – для развития которых требуются не столь большие инвестиции, как для производства 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 наногетероструктурах. Именно наногетероструктрная 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-бройлевской длины волны электрона, что позволят называть такие приборы первыми продуктами промышленной наноэлектроники, а наногетероструктурную электронику – фактически первой приборной электронной нанотехнологией.
Созданный в последние десятилетия научный и технологический задел по физике и технологии 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 технологии наногетероструктр является сотовая связь. Она занимает около 57% "гетероструктурного" рынка – гетеротранзисторы содержит почти каждый сотовый телефон. Около 23% рынка занимает быстропрогрессирующая 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).
3–4% рынка гетероструктур занимает военная электроника. В основном, это бортовые и наземные радиолокаторы на активных фазированных антенных решетках Х-диапазона (около 10 ГГц).
Жизнь показывает, что там, где требуются рабочие частоты выше 4–5 ГГц, наногетероструктурная 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 гетероструктурной 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. То есть 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 создается современная промышленная технологическая линия по производству СВЧ-микросхем с проектными нормами до 0,1 мкм и с объемом выпуска до 1 млн. шт. в год. Ввод ее в эксплуатацию планируется в ближайшие 2–3 года. Отечественный рынок для гетероструктурной электроники относительно небольшой – потребность около 200 тыс. приборов в год. В основном это гетероструктурные СВЧ-приборы для приемо-передающих модулей АФАР Х- и К-диапазонов. Наиболее крупные их потребители – ОАО ОКБ "Сухой", корпорация "Фазотрон" и концерн ПВО "Алмаз-Антей". Гражданский сегмент рынка для отечественной СВЧ-гетероэлектроники 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 в области наногетероструктурной электроники не прекращались даже в самые тяжелые времена. Российскими учеными создан достаточно мощный научный и технологический задел по всем ее направлениям: от физики и технологии самых современных гетероструктур 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 организовывать 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 ГЕТЕРОСТРУКТУРАХ
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, Японии, Франции, Германии, ряде восточно-азиатских государств) производство оптоэлектронных 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, по сравнению с технологией кремниевых СБИС, его преодоление потребует на порядок меньших средств.
Назовем основные направления в области гетероструктурных 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. Самый многообещающий путь повышения эффективности солнечных батарей – использование гетероструктурных солнечных элементов из арсенида галлия и родственных ему соединений группы А3В5. Такие солнечные элементы впервые в мире были предложены и созданы в ФТИ им. А.Ф.Иоффе в 1969 году. С тех пор в ФТИ выполнен большой объем исследований и разработок, многие из которых имеют приоритетный характер. Одним из результатов этих работ явилась организация в стране производства гетероструктурных 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 – 10–15 лет на геосинхронной орбите); возможность работы при высокой концентрированности солнечного излучения. Объем производства (в основном в США) гетероструктурных космических батарей превышает 1 тыс. м2/год. В РФ выпуск гетероструктурных батарей прекращен из-за отсутствия в стране современного технологического оборудования и недостаточного финансирования разработок перспективных их типов.
КПД "наземных" каскадных солнечных элементов, созданных 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, вырабатываемой солнечными батареями с концентраторами. В ФТИ разработаны высокоэффективные концентраторы – линзы Френеля, выполненные из композиции "силикон-стекло", обладающие высокой устойчивостью к воздействию ультрафиолетового облучения и хорошими термическими и механическими свойствами. На основе разработанных каскадных фотопреобразователей и линз Френеля в ФТИ созданы высокоэффективные концентраторные модули на земного и космического базирования и энергоустановки на их основе. В дальнейшем ожидается увеличение КПД гетероструктурных фотопреобразователей до 40% при 100–1000-кратном концентрировании солнечного излучения.
Организация в РФ производства гетероструктурных солнечных элементов и батарей позволит существенно увеличить энерговооруженность отечественных космических аппаратов, что будет способствовать укреплению обороноспособности страны и принесет значительный технико-экономический эффект, поскольку обеспечит автономное электропитание наземных изделий специальной техники и других потребителей, лишенных централизованного энергоснабжения. При этом потребности в наземных солнечных энергоустановках практически не ограничены. К числу основных потребителей солнечных элементов относятся Российское авиационно-космическое агентство, Минэнерго РФ, Космические войска и РВСН МО РФ.
Сверхъяркие светодиоды
Полупроводниковые светоизлучающие диоды (СИД) – это исторически первые гетероструктурные приборы, широко используемые на практике. В последние годы появилось новое направление, связанное с созданием так называемых сверхъярких СИД видимого диапазона. Основные области применения приборов на основе сверхъярких СИД – это устройства освещения и подсветки, автомобильная светотехника, светодиодные экраны и табло, сигнальные устройства, мобильные телефоны, фото- и видеокамеры. Быстрое внедрение твердотельных источников света в различные области промышленности связано с их принципиальными преимуществами по сравнению с традиционными осветительными приборами. К ним относятся длительный срок службы, экономичность, экологическая безопасность, быстрое срабатывание, широкие возможности по управлению световым потоком и цветом излучения. Объем мирового рынка сверхъярких светодиодов в 2002 году составил 1,8 млрд. долл. и по прогнозу компании Strategies Unlimited (США) к 2007 году достигнет 4,5 млрд. долл., а в 2010 году в США и Японии начнется повсеместная замена ламп накаливания светодиодными источниками света.
Сине-зеленые и белые светодиоды на основе сочетания синего излучения кристалла и желтого люминофора или ультрафиолетового излучения чипа и RGB-люминофора изготавливают на основе гетероструктур нитрида галлия (AllnGaN), желто-красные – на основе гетероструктур фосфида галлия (AlInGaP) и частично арсенида галлия. Основными производителями светодиодов и приборов на их основе выступают компании Японии (Nichia Chemical, Toyoda Gosei) и США (Lumiled, Cree). Быстрыми темпами растет производство светодиодов в странах Юго-Восточной Азии, прежде всего на Тайване, в Южной Корее и в Китае.
Российский рынок светодиодов сегодня составляет около 100 миллионов СИД в год, и более половины из них покупаются за рубежом. Основные препятствия развития светодиодных технологий в России – это полное отсутствие роста промышленного производства светодиодных гетероструктур и практически полное отсутствие современных технологических линий для изготовления чипов.
В нашей стране несколько предприятий занимаются сборкой светодиодов на основе импортных кристаллов: ОАО "ОКБ "Планета" (Новгород), ЗАО "Протон" (Орел), ЗАО "Корвет-Лайтс" (Москва). Изготовление чипов СИД на основе нитрида галлия начато в ЗАО "Светлана-Оптоэлектроника" (Санкт-Петербург). Однако изделия на основе покупных материалов заведомо неконкурентоспособны на мировом рынке. Причина тому – высокая цена, а также невозможность приобрести высококачественные светодиодные пластины или чипы.
Вместе с тем, уровень научных разработок в области MOCVD-роста (газофазное химическое осаждение металлорганических соединений) гетероструктур на основе нитрида галлия в ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН в целом сопоставим с мировым уровнем, а в некоторых направлениях опережает его. Это также касается ряда "ноу-хау" в области повышения эффективности и интенсивности электролюминесценции, что является основной тенденцией развития светодиодных технологий. В частности, для применения светодиодных источников в освещении необходимо создавать белые светодиоды с высокой световой отдачей и высоким значением светового потока с одного светодиода. Поэтому ряд крупных зарубежных компаний, в первую очередь Samsung и Siemens, проявляют повышенный интерес к выращенным в ФТИ структурам. Развитию технологий MOCVD-роста гетероструктур GaN в ФТИ во многом способствовало приобретение в 2002 году современного реактора AIX-2000HT производства фирмы Aixtron (Германия), позволяющего производить эпитаксиальный рост нитрида галлия одновременно на шести двухдюймовых подложках. Однако этот реактор предназначен для проведения научных исследований и разработки ресурсосберегающих технологических процессов. Наладить промышленное производство светодиодных пластин на его основе невозможно.
Полупроводниковые инжекционные лазеры
Полупроводниковые лазерные диоды относятся к числу наиболее сложных гетероструктурных приборов. Только наиболее передовые в технологическом отношении государства (США, Япония, Германия, Франция, Ю.Корея, Тайвань) располагают полным технологическим комплексом, достаточным для производства различных типов таких приборов. Области применения полупроводниковых лазеров весьма разнообразны и включают оптические устройства записи, хранения и считывания данных, системы волоконно-оптической связи, системы накачки твердотельных лазеров, датчики различного типа и.т.д. Общая сумма продаж полупроводниковых лазеров составила в 2003 году 2,8 млрд. долл. Первое место в денежном выражении занимают лазерные диоды для записи и считывания информации (1,5 млрд. долл.), затем следуют телекоммуникационные лазеры (900 млн. долл.) и лазеры для систем накачки (100 млн. долл.). В ближайшие три года прогнозируется рост объема продаж полупроводниковых лазеров не менее 10% в год.
В России, несмотря на сложности финансирования, сохраняется научный паритет с развитыми странами на всех основных направлениях разработки лазерных диодов. Он выражается в достижении параметров мирового уровня (в том числе – рекордных) для приборов, изготовленных в условиях мелкосерийного или лабораторного производства. Некоторое отставание наблюдается в области разработки приборов, излучающих в диапазоне менее 700 нм, что обусловлено практически полным отсутствием интереса к таким изделиям на российском рынке и высокой конкуренцией дешевых приборов на рынке международном.
Полный цикл производства полупроводниковых лазеров сохранился на таких российских предприятиях, как НИИ "Полюс" (Москва), "Инжект" (Саратов) и НПО "Север" (Новосибирск). Дополнительно к этому, ряд малых предприятий располагают технологией сборки и корпусирования кристаллов полупроводниковых лазеров (например, в Санкт-Петербурге – компании "ФТИ-Оптроник", "Полупроводниковые приборы" и др.). Общий российский рынок лазерных диодов оценивается в 8–12 млн. долл. в год при ежегодном приросте 8–10%, что соответствует общемировым тенденциям.
Для организации отечественного производства полупроводниковых лазерных диодов в промышленных масштабах в первую очередь необходимо найти внутренних и внешних потребителей, готовых в достаточных масштабах использовать эту наукоемкую продукцию.
Фотоприемные приборы и устройства
В ближайшее время ожидается создание систем "искусственного" (технического) зрения с расширенным по сравнению с биологическим зрением спектральным диапазоном в ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра. Это стало возможным благодаря интеграции на одном кристалле функций восприятия и обработки изображения, причем системы восприятия строятся на основе квантоворазмерных фоточувствительных наноструктур. Системы технического зрения и фотонные компоненты на наноструктурах, способные получать и обрабатывать огромные массивы информации, станут основой принципиально новых телекоммуникационных устройств, систем экологического и космического мониторинга, тепловидения, нанодиагностики, робототехники, высокоточного оружия, средств борьбы с терроризмом и т.д. Применение полупроводниковых наноструктур значительно уменьшит габариты устройств наблюдения и регистрации, снизит энергопотребление, улучшит стоимостные характеристики и позволит использовать преимущества массового производства в микро- и наноэлектронике ближайшего будущего.
В развитых странах широким фронтом ведутся работы по созданию фоточувствительных структур с предельными параметрами по чувствительности (до одного фотона), пространственному разрешению порядка длины волны и быстродействию на основе квантоворазмерных эффектов в полупроводниках для принципиально новых систем гражданского и военного назначения. В России эти работы сосредоточены в институтах РАН (ФТИ, Физический институт, Институт радиотехники и электроники, Институт физики полупроводников (Новосибирск)) и на некоторых промышленных предприятиях (НПО "Орион", НИИ "Полюс", НПП "Пульсар", ЦНИИ "Электрон").
В 2003 г. в Институте физики полупроводников СО РАН с помощью технологии молекулярно-лучевой эпитаксии изготовлены экспериментальные образцы матричных фотоприемных модулей форматом 320x256 элементов на основе многослойной эпитаксиальной структуры AlGaAs/GaAs с квантовыми ямами с максимумом спектральной чувствительности в диапазоне 7–9 мкм и температурным разрешением 40–70 мК. На основе эпитаксиальных гетероструктур Ge/Si на подложке "кремний-на-изоляторе" созданы фотодетекторы для диапазона длин волн 1,3–1,55 мкм с активной областью, включающей 36 слоев нанокластеров германия (квантовых точек). За счет эффекта многократного внутреннего отражения достигнуты значения квантовой эффективности 21 и 16% для длин волн 1,3 и 1,55 мкм, соответственно. Фотодетекторы на квантовых точках представляют несомненный интерес как фотонные компоненты волоконно-оптических линий связи с повышенной пропускной способностью.
РАЗВИТИЕ ТВЕРДОТЕЛЬНОЙ АКУСТОЭЛЕКТРОНИКИ
Акустоэлектронные устройства – принципиально незаменимые базовые элементы всех перспективных систем и средств связи, навигации, радиолокации, мониторинга, робототехники. Они позволяют обеспечить обработку сложных сигналов в реальном масштабе времени при высокой чувствительности, широком динамическом диапазоне и высокой помехозащищенности. Акустоэлектронные устройства нового поколения позволяют осваивать более высокочастотные диапазоны, обладают низким энергопотреблением, отличаются уникально малыми массогабаритными характеристиками и невысокой стоимостью.
Отечественные специалисты более 25 лет работают в этой области. Им принадлежит одно из ведущих мест в мире и ряд приоритетов в разработке акустоэлектронных устройств. Впервые предложены в СССР и России и запатентованы в России, США, Японии, Англии, Франции, Германии методы взвешивания и локализации поверхностных акустических волн. Однако последние 5–10 лет отечественные специалисты работают в данном направлении по контрактам с зарубежными фирмами. В то же время имеющаяся материально-техническая база и опыт позволяют переориентировать отечественных разработчиков на собственные исследования и в ближайшее время разработать ряд перспективных акустоэлектронных приборов. Основные из них:
· фильтры промежуточной частоты с высокими характеристиками для современных систем связи и цифрового интерактивного телевидения, включая высокоизбирательные ВЧ-устройства частотной селекции на поверхностных и приповерхностных волнах и волнах Гуляева-Блюштейна с предельно низким уровнем вносимого затухания;
· высокоизбирательные тонкопленочные СВЧ-устройства частотной селекции и резонаторы для стабилизации частоты. Они могут быть реализованы на объемных акустических волнах (в диапазоне до 10 ГГц), на подложках из кремния и арсенида галлия, а также на основе новых диэлектрических материалов с высокой акустической прозрачностью. Эти устройства важны для решения современных задач связи, навигации и радиолокации;
· акустоэлектронные датчики температуры, давления, газового состава, влажности, ускорений и т.д., перспективные для задач мониторинга, робототехники и контроля функционирования различных механизмов;
· системы радиочастотной идентификации объектов для персонализированной регистрации, учета и контроля объектов различного назначения, в том числе подвижных, на основе акустоэлектронных компонентов;
· системы автоматизированного проектирования (САПР) и автоматизированного изготовления фотошаблонов (САИФ) акустоэлектронной компонентной базы (АЭКБ).
Отечественные специалисты способны развить методы выращивания высококачественных ориентированных и монокристаллических пленок пьезоэлектриков, диэлектриков и полупроводников, новых пьезоэлектрических кристаллов для акустоэлектроники и акустооптики, а также методы контроля их параметров как основы создания перспективной акустоэлектронной элементной базы.
Все это позволит эффективно использовать имеющийся в России научно-технический задел, признанную во всем мире акустоэлектронную школу и, при наличии финансирования, создать самые передовые технологии и разработать широкую гамму акустоэлектронных устройств, организовать их серийное производство.
ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ
Ускоренное развитие электроники в России возможно лишь при условии, что эта наукоемкая область промышленности будет признана одним из основных приоритетов национальной политики, требующим государственной поддержки. Прежде всего, необходимо:
· приобрести и построить на территории России микроэлектронные предприятия с самой передовой на сегодняшний день технологией при предоставлении инвесторам гарантий государства;
· создать технопарки на базе имеющегося научно-технического, кадрового и образовательного потенциала;
· предоставить налоговые и таможенные льготы предприятиям и инвесторам в области электроники и оказать поддержку малым высокотехнологическим компаниям.
Реализация этих предложений приведет не только к восстановлению научно-технического паритета России с развитыми странами, но и позволит российским компаниям более активно работать на внутреннем рынке страны. Наличие отечественной элементной базы полупроводниковой электроники несомненно будет способствовать решению стратегически важных проблем силовых ведомств, в том числе при разработке нового поколения высокоточного оружия, оборудовании государственной границы, борьбе с терроризмом, развитию энергетики и решению проблем энергосбережения в промышленности, на транспорте, в жилищно-коммунальном хозяйстве. Это повысит эффективность использования уже вложенных Россией средств в организацию современных производств вычислительной и телекоммуникационной техники, которые сейчас полностью зависят от поставок импортных комплектующих.
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 наногетероструктурах. Именно наногетероструктрная 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-бройлевской длины волны электрона, что позволят называть такие приборы первыми продуктами промышленной наноэлектроники, а наногетероструктурную электронику – фактически первой приборной электронной нанотехнологией.
Созданный в последние десятилетия научный и технологический задел по физике и технологии 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 технологии наногетероструктр является сотовая связь. Она занимает около 57% "гетероструктурного" рынка – гетеротранзисторы содержит почти каждый сотовый телефон. Около 23% рынка занимает быстропрогрессирующая 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).
3–4% рынка гетероструктур занимает военная электроника. В основном, это бортовые и наземные радиолокаторы на активных фазированных антенных решетках Х-диапазона (около 10 ГГц).
Жизнь показывает, что там, где требуются рабочие частоты выше 4–5 ГГц, наногетероструктурная 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 гетероструктурной 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. То есть 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 создается современная промышленная технологическая линия по производству СВЧ-микросхем с проектными нормами до 0,1 мкм и с объемом выпуска до 1 млн. шт. в год. Ввод ее в эксплуатацию планируется в ближайшие 2–3 года. Отечественный рынок для гетероструктурной электроники относительно небольшой – потребность около 200 тыс. приборов в год. В основном это гетероструктурные СВЧ-приборы для приемо-передающих модулей АФАР Х- и К-диапазонов. Наиболее крупные их потребители – ОАО ОКБ "Сухой", корпорация "Фазотрон" и концерн ПВО "Алмаз-Антей". Гражданский сегмент рынка для отечественной СВЧ-гетероэлектроники 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 в области наногетероструктурной электроники не прекращались даже в самые тяжелые времена. Российскими учеными создан достаточно мощный научный и технологический задел по всем ее направлениям: от физики и технологии самых современных гетероструктур 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 организовывать 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 ГЕТЕРОСТРУКТУРАХ
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, Японии, Франции, Германии, ряде восточно-азиатских государств) производство оптоэлектронных 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, по сравнению с технологией кремниевых СБИС, его преодоление потребует на порядок меньших средств.
Назовем основные направления в области гетероструктурных 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. Самый многообещающий путь повышения эффективности солнечных батарей – использование гетероструктурных солнечных элементов из арсенида галлия и родственных ему соединений группы А3В5. Такие солнечные элементы впервые в мире были предложены и созданы в ФТИ им. А.Ф.Иоффе в 1969 году. С тех пор в ФТИ выполнен большой объем исследований и разработок, многие из которых имеют приоритетный характер. Одним из результатов этих работ явилась организация в стране производства гетероструктурных 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 – 10–15 лет на геосинхронной орбите); возможность работы при высокой концентрированности солнечного излучения. Объем производства (в основном в США) гетероструктурных космических батарей превышает 1 тыс. м2/год. В РФ выпуск гетероструктурных батарей прекращен из-за отсутствия в стране современного технологического оборудования и недостаточного финансирования разработок перспективных их типов.
КПД "наземных" каскадных солнечных элементов, созданных 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, вырабатываемой солнечными батареями с концентраторами. В ФТИ разработаны высокоэффективные концентраторы – линзы Френеля, выполненные из композиции "силикон-стекло", обладающие высокой устойчивостью к воздействию ультрафиолетового облучения и хорошими термическими и механическими свойствами. На основе разработанных каскадных фотопреобразователей и линз Френеля в ФТИ созданы высокоэффективные концентраторные модули на земного и космического базирования и энергоустановки на их основе. В дальнейшем ожидается увеличение КПД гетероструктурных фотопреобразователей до 40% при 100–1000-кратном концентрировании солнечного излучения.
Организация в РФ производства гетероструктурных солнечных элементов и батарей позволит существенно увеличить энерговооруженность отечественных космических аппаратов, что будет способствовать укреплению обороноспособности страны и принесет значительный технико-экономический эффект, поскольку обеспечит автономное электропитание наземных изделий специальной техники и других потребителей, лишенных централизованного энергоснабжения. При этом потребности в наземных солнечных энергоустановках практически не ограничены. К числу основных потребителей солнечных элементов относятся Российское авиационно-космическое агентство, Минэнерго РФ, Космические войска и РВСН МО РФ.
Сверхъяркие светодиоды
Полупроводниковые светоизлучающие диоды (СИД) – это исторически первые гетероструктурные приборы, широко используемые на практике. В последние годы появилось новое направление, связанное с созданием так называемых сверхъярких СИД видимого диапазона. Основные области применения приборов на основе сверхъярких СИД – это устройства освещения и подсветки, автомобильная светотехника, светодиодные экраны и табло, сигнальные устройства, мобильные телефоны, фото- и видеокамеры. Быстрое внедрение твердотельных источников света в различные области промышленности связано с их принципиальными преимуществами по сравнению с традиционными осветительными приборами. К ним относятся длительный срок службы, экономичность, экологическая безопасность, быстрое срабатывание, широкие возможности по управлению световым потоком и цветом излучения. Объем мирового рынка сверхъярких светодиодов в 2002 году составил 1,8 млрд. долл. и по прогнозу компании Strategies Unlimited (США) к 2007 году достигнет 4,5 млрд. долл., а в 2010 году в США и Японии начнется повсеместная замена ламп накаливания светодиодными источниками света.
Сине-зеленые и белые светодиоды на основе сочетания синего излучения кристалла и желтого люминофора или ультрафиолетового излучения чипа и RGB-люминофора изготавливают на основе гетероструктур нитрида галлия (AllnGaN), желто-красные – на основе гетероструктур фосфида галлия (AlInGaP) и частично арсенида галлия. Основными производителями светодиодов и приборов на их основе выступают компании Японии (Nichia Chemical, Toyoda Gosei) и США (Lumiled, Cree). Быстрыми темпами растет производство светодиодов в странах Юго-Восточной Азии, прежде всего на Тайване, в Южной Корее и в Китае.
Российский рынок светодиодов сегодня составляет около 100 миллионов СИД в год, и более половины из них покупаются за рубежом. Основные препятствия развития светодиодных технологий в России – это полное отсутствие роста промышленного производства светодиодных гетероструктур и практически полное отсутствие современных технологических линий для изготовления чипов.
В нашей стране несколько предприятий занимаются сборкой светодиодов на основе импортных кристаллов: ОАО "ОКБ "Планета" (Новгород), ЗАО "Протон" (Орел), ЗАО "Корвет-Лайтс" (Москва). Изготовление чипов СИД на основе нитрида галлия начато в ЗАО "Светлана-Оптоэлектроника" (Санкт-Петербург). Однако изделия на основе покупных материалов заведомо неконкурентоспособны на мировом рынке. Причина тому – высокая цена, а также невозможность приобрести высококачественные светодиодные пластины или чипы.
Вместе с тем, уровень научных разработок в области MOCVD-роста (газофазное химическое осаждение металлорганических соединений) гетероструктур на основе нитрида галлия в ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН в целом сопоставим с мировым уровнем, а в некоторых направлениях опережает его. Это также касается ряда "ноу-хау" в области повышения эффективности и интенсивности электролюминесценции, что является основной тенденцией развития светодиодных технологий. В частности, для применения светодиодных источников в освещении необходимо создавать белые светодиоды с высокой световой отдачей и высоким значением светового потока с одного светодиода. Поэтому ряд крупных зарубежных компаний, в первую очередь Samsung и Siemens, проявляют повышенный интерес к выращенным в ФТИ структурам. Развитию технологий MOCVD-роста гетероструктур GaN в ФТИ во многом способствовало приобретение в 2002 году современного реактора AIX-2000HT производства фирмы Aixtron (Германия), позволяющего производить эпитаксиальный рост нитрида галлия одновременно на шести двухдюймовых подложках. Однако этот реактор предназначен для проведения научных исследований и разработки ресурсосберегающих технологических процессов. Наладить промышленное производство светодиодных пластин на его основе невозможно.
Полупроводниковые инжекционные лазеры
Полупроводниковые лазерные диоды относятся к числу наиболее сложных гетероструктурных приборов. Только наиболее передовые в технологическом отношении государства (США, Япония, Германия, Франция, Ю.Корея, Тайвань) располагают полным технологическим комплексом, достаточным для производства различных типов таких приборов. Области применения полупроводниковых лазеров весьма разнообразны и включают оптические устройства записи, хранения и считывания данных, системы волоконно-оптической связи, системы накачки твердотельных лазеров, датчики различного типа и.т.д. Общая сумма продаж полупроводниковых лазеров составила в 2003 году 2,8 млрд. долл. Первое место в денежном выражении занимают лазерные диоды для записи и считывания информации (1,5 млрд. долл.), затем следуют телекоммуникационные лазеры (900 млн. долл.) и лазеры для систем накачки (100 млн. долл.). В ближайшие три года прогнозируется рост объема продаж полупроводниковых лазеров не менее 10% в год.
В России, несмотря на сложности финансирования, сохраняется научный паритет с развитыми странами на всех основных направлениях разработки лазерных диодов. Он выражается в достижении параметров мирового уровня (в том числе – рекордных) для приборов, изготовленных в условиях мелкосерийного или лабораторного производства. Некоторое отставание наблюдается в области разработки приборов, излучающих в диапазоне менее 700 нм, что обусловлено практически полным отсутствием интереса к таким изделиям на российском рынке и высокой конкуренцией дешевых приборов на рынке международном.
Полный цикл производства полупроводниковых лазеров сохранился на таких российских предприятиях, как НИИ "Полюс" (Москва), "Инжект" (Саратов) и НПО "Север" (Новосибирск). Дополнительно к этому, ряд малых предприятий располагают технологией сборки и корпусирования кристаллов полупроводниковых лазеров (например, в Санкт-Петербурге – компании "ФТИ-Оптроник", "Полупроводниковые приборы" и др.). Общий российский рынок лазерных диодов оценивается в 8–12 млн. долл. в год при ежегодном приросте 8–10%, что соответствует общемировым тенденциям.
Для организации отечественного производства полупроводниковых лазерных диодов в промышленных масштабах в первую очередь необходимо найти внутренних и внешних потребителей, готовых в достаточных масштабах использовать эту наукоемкую продукцию.
Фотоприемные приборы и устройства
В ближайшее время ожидается создание систем "искусственного" (технического) зрения с расширенным по сравнению с биологическим зрением спектральным диапазоном в ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра. Это стало возможным благодаря интеграции на одном кристалле функций восприятия и обработки изображения, причем системы восприятия строятся на основе квантоворазмерных фоточувствительных наноструктур. Системы технического зрения и фотонные компоненты на наноструктурах, способные получать и обрабатывать огромные массивы информации, станут основой принципиально новых телекоммуникационных устройств, систем экологического и космического мониторинга, тепловидения, нанодиагностики, робототехники, высокоточного оружия, средств борьбы с терроризмом и т.д. Применение полупроводниковых наноструктур значительно уменьшит габариты устройств наблюдения и регистрации, снизит энергопотребление, улучшит стоимостные характеристики и позволит использовать преимущества массового производства в микро- и наноэлектронике ближайшего будущего.
В развитых странах широким фронтом ведутся работы по созданию фоточувствительных структур с предельными параметрами по чувствительности (до одного фотона), пространственному разрешению порядка длины волны и быстродействию на основе квантоворазмерных эффектов в полупроводниках для принципиально новых систем гражданского и военного назначения. В России эти работы сосредоточены в институтах РАН (ФТИ, Физический институт, Институт радиотехники и электроники, Институт физики полупроводников (Новосибирск)) и на некоторых промышленных предприятиях (НПО "Орион", НИИ "Полюс", НПП "Пульсар", ЦНИИ "Электрон").
В 2003 г. в Институте физики полупроводников СО РАН с помощью технологии молекулярно-лучевой эпитаксии изготовлены экспериментальные образцы матричных фотоприемных модулей форматом 320x256 элементов на основе многослойной эпитаксиальной структуры AlGaAs/GaAs с квантовыми ямами с максимумом спектральной чувствительности в диапазоне 7–9 мкм и температурным разрешением 40–70 мК. На основе эпитаксиальных гетероструктур Ge/Si на подложке "кремний-на-изоляторе" созданы фотодетекторы для диапазона длин волн 1,3–1,55 мкм с активной областью, включающей 36 слоев нанокластеров германия (квантовых точек). За счет эффекта многократного внутреннего отражения достигнуты значения квантовой эффективности 21 и 16% для длин волн 1,3 и 1,55 мкм, соответственно. Фотодетекторы на квантовых точках представляют несомненный интерес как фотонные компоненты волоконно-оптических линий связи с повышенной пропускной способностью.
РАЗВИТИЕ ТВЕРДОТЕЛЬНОЙ АКУСТОЭЛЕКТРОНИКИ
Акустоэлектронные устройства – принципиально незаменимые базовые элементы всех перспективных систем и средств связи, навигации, радиолокации, мониторинга, робототехники. Они позволяют обеспечить обработку сложных сигналов в реальном масштабе времени при высокой чувствительности, широком динамическом диапазоне и высокой помехозащищенности. Акустоэлектронные устройства нового поколения позволяют осваивать более высокочастотные диапазоны, обладают низким энергопотреблением, отличаются уникально малыми массогабаритными характеристиками и невысокой стоимостью.
Отечественные специалисты более 25 лет работают в этой области. Им принадлежит одно из ведущих мест в мире и ряд приоритетов в разработке акустоэлектронных устройств. Впервые предложены в СССР и России и запатентованы в России, США, Японии, Англии, Франции, Германии методы взвешивания и локализации поверхностных акустических волн. Однако последние 5–10 лет отечественные специалисты работают в данном направлении по контрактам с зарубежными фирмами. В то же время имеющаяся материально-техническая база и опыт позволяют переориентировать отечественных разработчиков на собственные исследования и в ближайшее время разработать ряд перспективных акустоэлектронных приборов. Основные из них:
· фильтры промежуточной частоты с высокими характеристиками для современных систем связи и цифрового интерактивного телевидения, включая высокоизбирательные ВЧ-устройства частотной селекции на поверхностных и приповерхностных волнах и волнах Гуляева-Блюштейна с предельно низким уровнем вносимого затухания;
· высокоизбирательные тонкопленочные СВЧ-устройства частотной селекции и резонаторы для стабилизации частоты. Они могут быть реализованы на объемных акустических волнах (в диапазоне до 10 ГГц), на подложках из кремния и арсенида галлия, а также на основе новых диэлектрических материалов с высокой акустической прозрачностью. Эти устройства важны для решения современных задач связи, навигации и радиолокации;
· акустоэлектронные датчики температуры, давления, газового состава, влажности, ускорений и т.д., перспективные для задач мониторинга, робототехники и контроля функционирования различных механизмов;
· системы радиочастотной идентификации объектов для персонализированной регистрации, учета и контроля объектов различного назначения, в том числе подвижных, на основе акустоэлектронных компонентов;
· системы автоматизированного проектирования (САПР) и автоматизированного изготовления фотошаблонов (САИФ) акустоэлектронной компонентной базы (АЭКБ).
Отечественные специалисты способны развить методы выращивания высококачественных ориентированных и монокристаллических пленок пьезоэлектриков, диэлектриков и полупроводников, новых пьезоэлектрических кристаллов для акустоэлектроники и акустооптики, а также методы контроля их параметров как основы создания перспективной акустоэлектронной элементной базы.
Все это позволит эффективно использовать имеющийся в России научно-технический задел, признанную во всем мире акустоэлектронную школу и, при наличии финансирования, создать самые передовые технологии и разработать широкую гамму акустоэлектронных устройств, организовать их серийное производство.
ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ
Ускоренное развитие электроники в России возможно лишь при условии, что эта наукоемкая область промышленности будет признана одним из основных приоритетов национальной политики, требующим государственной поддержки. Прежде всего, необходимо:
· приобрести и построить на территории России микроэлектронные предприятия с самой передовой на сегодняшний день технологией при предоставлении инвесторам гарантий государства;
· создать технопарки на базе имеющегося научно-технического, кадрового и образовательного потенциала;
· предоставить налоговые и таможенные льготы предприятиям и инвесторам в области электроники и оказать поддержку малым высокотехнологическим компаниям.
Реализация этих предложений приведет не только к восстановлению научно-технического паритета России с развитыми странами, но и позволит российским компаниям более активно работать на внутреннем рынке страны. Наличие отечественной элементной базы полупроводниковой электроники несомненно будет способствовать решению стратегически важных проблем силовых ведомств, в том числе при разработке нового поколения высокоточного оружия, оборудовании государственной границы, борьбе с терроризмом, развитию энергетики и решению проблем энергосбережения в промышленности, на транспорте, в жилищно-коммунальном хозяйстве. Это повысит эффективность использования уже вложенных Россией средств в организацию современных производств вычислительной и телекоммуникационной техники, которые сейчас полностью зависят от поставок импортных комплектующих.
Отзывы читателей
