На фестивале науки NAUKA0+ в Новосибирске школьники узнали о роли квантовых эффектов в наноэлектронике
Поделиться
Дата публикации: 18 октября 2019
Развитие электроники в наши дни напоминает приключения Алисы в Стране чудес в тот момент, когда она съев или выпив что-то, стремительно уменьшалась: современная микросхема может быть не больше пылинки, размеры транзисторов — «элементарных частиц» электронных устройств приближаются к теоретическому пределу и вот-вот станут атомарными. А что произойдет за пределом? Как будет развиваться отрасль? Об этом рассказал директор Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН академик Александр Васильевич Латышев на лекции в рамках фестиваля NAUKA 0+.
Первый транзистор (его изобрели трое американских исследователей в 1957 году и через девять лет получили за это открытие Нобелевскую премию) был довольно большим — около пяти сантиметров. Сегодня созданы транзисторы размером в один нанометр (одну миллиардную метра), современные полупроводниковые чипы содержат до 30 миллиардов этих полупроводниковых компонент.
«Согласно закону Мура, каждые два года количество транзисторов на микросхеме удваивается: по существующим прогнозам к 2035 году будет создан чип, в состав которого войдет триллион транзисторов. Если сравнивать с человеческим мозгом, то последний содержит 70 миллиардов нейронов. Микроэлектроника — одна из самых динамично развивающихся отраслей в науке и технике и драйвер инноваций для цифровой экономики», — отметил Александр Латышев.
Эволюция микроэлектроники направлена конечно же в сторону уменьшения: туда, где играют роль квантовые эффекты. Главные действующие лица современных микроэлектронных приборов — полупроводниковые кристаллы, в которых электроны «бегают» по всему объему. Но постепенно кристаллы заменяются на тонкие пленки, где электроны могут двигаться только в одной плоскости или на квантовые проволоки (в них заряженные частицы перемещаются только в одном направлении на плоскости) и даже на квантовые точки, в которых электроны «заперты».
Почему это важно? Размеры транзисторов приближаются к атомарным и межэлектронные взаимодействия в них могут повлиять на передачу сигнала: столь маленькие компоненты не будут стабильно работать. Сейчас транзистор либо пропускает электрический ток, либо нет: то есть имеет два состояния — логическую единицу или ноль. В такой системе двоичного кода осуществляется передача любой цифровой информации, включая ту, что вы сейчас читаете с экрана гаджета. Но проблема уменьшения размеров в том, что из-за определенных квантовых эффектов транзистор атомарного размера может начать проводить электрический ток в тот момент, когда это не нужно, то есть 1 внезапно станет 0. Карета превратится в тыкву: полученная информация будет отличаться от отправленной. А системы на основе квантовых точек могут, во-первых, кодировать состояние логической единицы, нуля и суперпозицию обоих — одновременно и ноль, и единицу и, во-вторых, управляться небольшим магнитным полем.
«Специалисты ИФП СО РАН умеют создавать полупроводниковые пленки на основе гетероструктур, полученных самым современным методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Для него необходима система камер со сверхвысоким вакуумом, в котором на подложку “напыляются” атомы другого вещества и верхний слой растет, наследуя кристаллическую структуру нижнего. Формируется новая материя, несуществующая в природе, с физическими свойствами идеально подходящими для создания микроэлектронных устройств: лазеров, биосенсоров, матриц для инфракрасных фотоприемников и других», — добавил Александр Латышев.
Например, использование гетероструктур состава алюминий-галлий-мышьяк позволили ученым ИФП СО РАН сделать излучатель одиночных фотонов и одноэлектронный транзистор. Однофотоника используется в телекоммуникациях и квантовой криптографии, для передачи конфиденциальных данных, так как фотон невозможно перехватить незаметно для получателя или подделать. Одноэлектронный транзистор настолько чувствителен, что переключается при перемещении лишь одного электрона, что значительно экономит энергию. Правда, пока такой прибор может работать при температуре 150 Кельвинов ( — (минус) 123 градусов Цельсия).
Судя по всему, микроэлектронные устройства завтрашнего дня будут работать на новых физических принципах: как именно — покажет время. Но, если проводить параллели с изменением состояний Алисы в Стране чудес, можно с уверенностью сказать лишь одно: в мире микроэлектроники увеличения компонентов не ожидается.
