Фундаментальные исследования в области информационных и коммуникационных технологий

ФИЗИКА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ В ОБЛАСТИ ИНФОРМАЦИОННЫХ И КОММУНИКАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ М. Н. ЛИБЕНСОН Санкт-Петербургский государственный институт точной механики и оптики (технический университет)

BASIC STUDIES IN INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES M. N. LIBENSON

The basic ideas and results of studies of heterostructures, heterolasers and integrated circuits which has led to creation and development of modern information and communication technologies, and were awarded the Nobel Prize 2000 in physics, are described.

Шведская королевская академия наук наградила Нобелевской премией по физике в 2000 году за “фундаментальные исследования в области информационных и коммуникационных технологий” Жореса Ивановича Алферова (Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, Санкт-Петербург, Россия), Герберта Кремера (Калифорнийский университет, Санта-Барбара, Калифорния, США) за создание полупроводниковых гетероструктур, используемых в высокоскоростной электронике и оптоэлектронике, и Джека С. Килби (Тексас инструментс, Даллас, Техас, США) за его участие в создании интегральных схем (фото лауреатов на рис. 1).

Изложены основные идеи и результаты работ по гетероструктурам, гетеролазерам и интегральным схемам, которые привели к созданию и развитию современных информационных и коммуникационных технологий и удостоены в 2000 году Нобелевской премии по физике. Рис. 1. Лауреаты Нобелевской премии по физике 2000 года (слева направо): Жорес Иванович Алферов, Герберт Кремер, Джек С. Килби

© Либенсон М.Н., 2001

ИНФОРМАЦИОННЫЕ И КОММУНИКАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

www.issep.rssi.ru

Современная технология связи и информационная технология – одни из самых важных глобальных технологий, оказывающих влияние на все человечество. Фактически они играют роль движущей силы в превращении индустриального общества в постиндустриальное общество информации и науки. Их важность можно сравнить со значением появления много столетий назад печатных книг. Современный размах был гораздо

Л И Б Е Н С О Н М . Н . ФУ Н Д А М Е Н ТА Л Ь Н Ы Е И С С Л Е Д О В А Н И Я …

75

ФИЗИКА более быстрым – полное внедрение технологий связи и информации произошло не за сотню лет, а всего за десять. Только в течение последних десяти лет персональные компьютеры стали использовать на всех уровнях и во всех средах: дома, в школах, магазинах, на производстве, в медицине и т.д. Ярким примером нового пути использования информационных технологий и коммуникационных систем является создание Интернета с World Wide Web. Новый феноменальный рывок прогрессу обеспечило появление в последние несколько лет мобильных телефонов и высокоскоростных (широкополосных) волоконных сетей. Естественно ожидать, что этот рывок не последний. Электронная революция действительно до неузнаваемости изменила мир. Трудно выделить самые значительные открытия и изобретения, так же как и имена изобретателей и первооткрывателей в области, которая за столь малое время изменила общество и мировую экономику и в которую были вложены такие крупные инвестиции. Часто технический прогресс состоит из маленьких последовательных шажков, которые охраняются как коммерческие тайны. Существует достаточно общее мнение, что эволюция за последние несколько десятилетий началась с развития некоторых разделов микроэлектроники. А это, в свою очередь, стало возможным благодаря развитию многих областей знания, в большинстве своем связанных с физикой. Увеличение чистоты полупроводниковых материалов, новые виды транзисторов с надежной работоспособностью на высоких частотах и при низком уровне шумов, объединение нескольких компонентов на одном чипе, полупроводниковые лазеры, новые носители информации с более высокой плотностью записи – все это только малая часть областей, которые охватывает и объединяет микроэлектроника. РОЛЬ ФИЗИКИ Ужесточение требований к работоспособности электронных компонентов неумолимо приводит к усилению требований к качеству полупроводниковых материалов. Например, их чистота должна быть такой, чтобы доля неконтролируемых примесей не превышала одной миллиардной, а концентрация структурных дефектов была чрезвычайно низкой. Отдельные слои в многослойном композите должны хорошо подходить друг к другу по параметрам кристаллической структуры, а зазор между слоями не должен превышать атомарные размеры. Кроме того, очень тонкие диэлектрические пленки должны быть сплошными и способными выдерживать высокие электрические поля и т.п. Произошедшая около полувека назад замена электронной лампы на полупроводниковый транзистор и

76

развитие полупроводниковой технологии потребовали развертывания исследований в области физики твердого тела и материаловедения. Их важнейшим результатом явилось научно обоснованное представление о кремнии как о самом перспективном материале для транзисторов, впервые продемонстрированное в 1954 году. Оказалось к тому же, что природный оксид кремния является высококачественным диэлектриком. Сейчас граница раздела кремний – двуокись кремния, возможно, наиболее хорошо изученная граница раздела двух материалов. Однако это было не так до революционного изобретения интегральной схемы (ИС), ставшего эпохальным в электронике и определяющего ее развитие в течение сорока лет. Интегральная схема позволила соединить большое количество активных (транзисторов и пр.) и пассивных (сопротивлений, конденсаторов и пр.) элементов с помощью металлических перемычек в единый чип. Первые интегральные схемы были недоработанными с точки зрения современных стандартов. Но по мере развития инструментальных средств, особенно литографии, позволившей достичь высокого уровня миниатюризации, количество компонентов в одной интегральной схеме – чипе стало быстро возрастать. В начале 1960-х годов, вскоре после изобретения интегральных схем, Гордон Мур, один из пионеров Силиконовой Долины, сформулировал эмпирический закон, постулирующий, что важнейшая характеристика ИС, определяемая количеством элементов на ней, удваивается каждые 18–24 месяца при неизменной цене чипа (рис. 2). Удивительно, но этот закон остается в силе и сегодня, спустя сорок лет! И эта характеристика по-прежнему удваивается! Тем не менее, как хорошо известно из многочисленных примеров, такое удвоение не может происходить бесконечно долго. Этот факт заставил физиков начать поиск других типов микроэлектронных компонентов. Около десяти лет спустя после изобретения ИС в интегральной схеме стало возможно соединить достаточное количество элементов, чтобы собрать целый процессор на отдельном чипе. Микропроцессор был разработан и создан в начале 1970-х годов. Это новое устройство стало рабочей лошадкой в некоторых областях применения и сделало возможным развитие персональных компьютеров. Так же как паровой двигатель был главной машиной промышленной революции, персональный компьютер стал машиной научно-информационной революции. Затем компьютеры были соединены вместе в информационные сети, позволяющие осуществлять взаимодействие между ними. Это повлекло за собой слияние двух важнейших технологий: компьютерной и телекоммуникационной. С усилением требований к

С О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , Т О М 7 , № 9 , 2 0 0 1

ФИЗИКА [330 мм 9

10 Количество элементов на чипе

256M

108

64M

[200 мм 16M

Pentium III 4M

[125 мм 1M

6

10

256K

[100 мм

105

Merced

[150 мм

107

80486

Pentium Pentium II -Xeon Pentium Pro -Celeron

64K 80286 16K

[75 мм

80386

6800

32032

68020

4K

104 1K

8080

4004

3

10

8086/8088 8048

Микропроцессоры DRAM-память

Z80

Калькулятор 2

10

1970

1974

1978

1982

1986

1990

1994

1998

2002

Рис. 2. Закон Мура – рост количества элементов на чипе с течением времени. Закон Мура утверждает, что этот параметр, наглядно иллюстрирующий работоспособность микроэлектроники, удваивается каждые 18–24 месяца. Закон Мура выполняется уже на протяжении 30 лет. Видно, как параллельно стремительно растут размеры используемых на практике пластин кремния

скорости обработки данных и передачи информации стало важным не только количество элементов на чипе, но и их быстродействие. Только частично новые запросы могли быть удовлетворены уменьшением размеров компонентов и снижением их энергопотребления. В итоге пришлось обратиться к другим материалам и полупроводниковым структурам. По мере прогресса в создании и обработке информации появилась соответствующая потребность и в ее хранении в системах памяти и блоках запоминающих устройств. В быстрой оперативной памяти RAM (память произвольного доступа) в компьютере используются транзисторы, причем положения “включено” и “выключено” использованы для представления бинарных знаков 0 и 1. Для хранения большого объема информации преобладающими носителями являются вращающиеся диски. Оптические CD-диски используются только в считывающих устройствах (ROM). Быстро растущая потребность в хранении сверхбольшого количества данных обусловила разработку технологии хранения крупнейших массивов информации, которая также пережила этап лавинообразного развития и снижения цен на носители. Присуждение Нобелевской премии в области физики 2000 года за “фундаментальные исследования в области информационных и коммуникационных технологий” является признанием за этими технологиями основной роли в переходе от индустриального общества к обществу, базирующемуся на информации и науч-

ных знаниях. Два важных изобретения на стыке физики и техники повлекли за собой такое развитие и обусловили эволюцию информационных и коммуникационных технологий: • гетероструктуры в применении к высокочастотной электронике и оптоэлектронике, • интегральные схемы. ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ Полупроводниковая гетероструктура обычно состоит из двух или более слоев с различной шириной запрещенной зоны. Контакт таких слоев, как правило различающихся химическим составов, представляет собой гетеропереход. Помимо ширины запрещенной зоны на границе раздела полупроводников изменяются подвижность носителей заряда, их эффективная масса и другие характеристики. В резком гетеропереходе изменение свойств происходит на расстоянии, сравнимом или меньшем, чем ширина области объемного заряда. В зависимости от легирования обеих сторон гетероперехода можно создать p–n-, n–n- или p–p-гетеропереходы. Образование гетеропереходов, требующее стыковки кристаллических решеток, возможно лишь при совпадении типа, ориентации и периода кристаллической решетки сращиваемых материалов. Кроме того, граница раздела по возможности должна быть свободна от структурных и других дефектов (дислокаций, точечных дефектов), а также от механических напряжений.

Л И Б Е Н С О Н М . Н . ФУ Н Д А М Е Н ТА Л Ь Н Ы Е И С С Л Е Д О В А Н И Я …

77

ФИЗИКА Наиболее широко применяются монокристаллические гетеропереходы между полупроводниками типа АIIIBV и их твердыми растворами на основе арсенидов, фосфидов и антимонидов Ga и Al. Благодаря близости ковалентных радиусов Ga и Al изменение химического состава происходит без изменения периода решетки. В зависимости от назначения гетероструктуры энергия запрещенной зоны различных полупроводников регулируется или замещением элементов (Ga на In или Al, As на P, Sb или N), или изменением состава полупроводникового сплава. Резкие границы между различными полупроводниковыми слоями формируются несколькими методами, такими, как молекулярная пучковая эпитаксия (МПЭ) и металлоорганическое химическое вакуумное осаждение. В этих методах слои выращиваются эпитаксиально (атомный слой за атомным слоем) на подложке с подходящей постоянной решетки. Исследуя гетероструктуры, Ж.И. Алферов еще в конце 1960-х годов выделил их следующие наиболее важные преимущества: суперинжекцию носителей; оптическое ограничение, или волноводный эффект; электронное ограничение, или локализацию неравновесных носителей заряда в узкозонной части гетероструктуры, ограниченной более широкозонными полупроводниками. Гетероструктуры оказали значительное влияние на развитие некоторых областей науки. Они являются ключевым компонентом в высокочастотных транзисторах, полупроводниковых лазерах, светоизлучающих диодах, фотоэлементах, оптронах и т.д. Так, в биполярных транзисторах на гетеропереходах база выполнена из полупроводника с меньшей шириной запрещенной зоны. Это приводит, в частности, к снижению энергетического барьера для электронов и как следствие – к сильному увеличению электронного тока. Если при этом дырочный ток не изменяется, то может возникнуть избыточное усиление по току. Это создает выгодную ситуацию: можно уменьшить усиление путем более сильного легирования базы и сделать ее тоньше, что, в свою очередь, позволяет уменьшить ее сопротивление и величину RC-постоянной, то есть тем самым увеличить быстродействие транзистора. Использование в гетероструктурах сложных полупроводников открыло возможности комбинирования микроэлектронной, оптоэлектронной и микроволновых технологий. Примером может служить созданная на одном чипе система, состоящая из фотоприемника с высоким быстродействием, соединенного с фотонным детектором на гетероструктуре и высокоскоростной электроникой.

78

ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ И ЛАЗЕРЫ В 1964 году Нобелевской премии по физике были удостоены Н.Г. Басов, А.М. Прохоров и Ч. Таунс за фундаментальные исследования в области квантовой электроники, приведшие к созданию лазеров и мазеров – генераторов (и усилителей) нового типа, основанных на усилении индуцированного излучения. После создания первых твердотельных лазеров Т. Майманом на кристалле рубина в 1960 году и Р. Холлом (1962) на полупроводнике твердотельная квантовая электроника получила исключительное развитие, однако не все исходные идеи привели к успешным практическим разработкам. Так, эффективность инжекционных полупроводниковых лазеров с p–n-переходом осталась невелика, поскольку для их работы требуется достаточно большой отпирающий ток. Вследствие этого получить непрерывное излучение таких лазеров при комнатной температуре не удалось. Однако непрерывный режим работы при комнатной температуре вполне достижим для лазеров на гетероструктурах (или гетеролазерах), которые к настоящему времени стали среди полупроводниковых лазеров доминирующими. Гетеролазеры широко используются в лазерных принтерах, CD-плеерах и системах высокоскоростной волоконной связи. Созданные на основе гетероструктур светоизлучающие диоды также выпускаются в больших количествах и успешно служат, например, в качестве тормозных огней, в сигнальных устройствах на трассах и во всех типах дисплеев. Фотодетекторы и солнечные элементы, в частности для энергообеспечения спутников, также являются примерами устройств, использующих гетероструктуры. Преимущества гетеролазеров перед инжекционными связаны со специфическими свойствами гетероструктур. В инжекционном лазере с p–n-переходом в прозрачном полупроводнике генерируемое излучение проникает далеко за пределы активного слоя, в области с высоким коэффициентом поглощения. Толщина активного слоя меньше размера области рекомбинации инжектированных неравновесных носителей заряда (рис. 3, а). Это определяет большие потери энергии, высокую пороговую плотность тока и низкий к.п.д. таких лазеров при высоких температурах. В гетеролазере вследствие оптического и электронного ограничений можно управлять областью локализации светового поля и неравновесных носителей. Наличие гетероструктуры приводит к тому, что на некотором расстоянии от инжектирующего p–n-перехода создается потенциальный барьер за счет гетероперехода с более широкозонным полупроводником. Если скорость рекомбинации на гетерогранице мала, то носители отражаются от барьера и увеличивают при том же токе среднюю концентрацию неосновных носителей в области усиления. Тем

С О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , Т О М 7 , № 9 , 2 0 0 1

ФИЗИКА а

б

n

p

%эF

1

%дF

%эF

%дF

d n

d p

2

n

p

n p

p

n

x E

2

g

x E

2

g

3

z

z

Рис. 3. Зонные диаграммы полупроводниковой структуры (1 ), концентрации электронов n и дырок p (2 ), амплитуда светового поля E и коэффициента усиления g (3 ): а – в лазере с p–n-переходом; б – в гетеролазере с двойной гетероструктурой (с двусторонним ограничением)

самым инверсная населенность в активном слое, возникающая при определенной концентрации инжектированных носителей, достигается при меньшем значении плотности тока. Скачок показателя преломления на границе одновременно приводит к ослаблению проникновения светового поля в поглощающую p-область. Уменьшение рекомбинационных и оптических потерь снижает ток, необходимый для возбуждения генерации. Наилучшими параметрами обладает гетеролазер на основе трехслойной (двойной) гетероструктуры (ДГС) с активным слоем из узкозонного полупроводника, заключенного между двумя широкозонными полупроводниками (рис. 3, б ). Двустороннее оптическое и электронное ограничение приводит к совпадению областей инверсной населенности и локализации светового поля, что позволяет осуществить лазерную генерацию при малом токе накачки. Неравновесные носители можно локализовать гораздо сильнее, чем световое поле. В частности, в ДГСлазерах толщину d узкозонного активного слоя (см. рис. 3, б ) удается довести до размеров длины волны де Бройля электронов с кинетической энергией, близкой к высоте потенциального барьера на границах (d ∼ 6–8 нм). Ширина активного слоя такого гетеролазера порядка длины волны генерируемого излучения и независимо регулируется изменением показателя преломления n

среды. Поэтому гетеролазер можно рассматривать как планарный оптический волновод со встроенным в него активным усиливающим слоем. Волновод образуется вследствие изменения величины n в плоскости, перпендикулярной гетеропереходу, а локализация электронно-дырочной плазмы в слое заданной толщины обеспечена потенциальными барьерами на границе этого слоя с более широкозонным диэлектриком. Это наглядное описание гетеролазера можно найти в первом томе “Физической энциклопедии” 1988 года издания, в статье Ж.И. Алферова и Е.Л. Портного. Зеркалами гетеролазера обычно служат грани кристалла (рис. 4), однако можно использовать и внешние оптические резонаторы, действие которых в этом устройстве основано на распределенном отражении света на оптической дифракционной решетке с периодом, кратным целому числу полуволн излучения в кристалле. Принцип действия ДГС-лазера был предложен в 1963 году Г. Кремером и опубликован в журнале “Proc. IEEE” (1963. Vol. 51. P. 1782), а также независимо Ж.И. Алферовым и Р.Ф. Казариновым в заявке на изобретение от 30 марта 1963 года (А. с. СССР № 181737, Бюл. изобретений. 1975. № 14. С. 147). Несколько исследовательских групп внесли существенный вклад в научные основы и практическую реализацию гетеролазеров, начиная от исходной идеи в 1963 году вплоть до появления первых непрерывных лазеров в 1970 году. Пионерские систематические исследования Ж.И. Алферова и его коллег привели к созданию в конце 1968 года в Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе АН СССР первого импульсного ДГС-лазера на гетероструктуре GaAs–AlAs, а в мае 1970 года непрерывного лазера, работающего при комнатной температуре. Параллельно и независимо велась работа по изучению гетероструктур в промышленных лабораториях Bell Labs, IBM и RCA в США. Исследовались решеточно совместимые структуры, зонные диаграммы, лазеры на одном гетеропереходе, импульсное и непрерывное излучение ДГС-лазеров. Группа М. Паниша из Bell Labs выиграла американскую гонку, опубликовав свой доклад о гетеролазере непрерывного действия при комнатной температуре в июне 1970 года. Последующее внедрение полупроводниковых лазеров в производство и их массовый выпуск возглавлялись американской промышленностью. Несколько исследовательских групп, и в первую очередь группа Н. Холоньяка, участвовали в важных разработках лазеров с квантовыми ямами. Гетероструктуры широко используются в лазерах на вертикально связанных массивах квантовых точек. Квантовые каскадные лазеры были созданы в 1994 году Ф. Капассо и А. Чо с сотрудниками. Истинное мастерство и технические идеи С. Накамуры

Л И Б Е Н С О Н М . Н . ФУ Н Д А М Е Н ТА Л Ь Н Ы Е И С С Л Е Д О В А Н И Я …

79

ФИЗИКА 200 мкм 30 мкм 200 мА

120 мкм

Металл SiO2 p+-GaAs, 3 мкм p-Al0,25Ga0,75As, 3 мкм p-GaAs, 0,5 мкм p-Al0,25Ga0,75As, 3 мкм n-GaAs Металл 250 мкм Медь

Рис. 4. Схематическое изображение структуры первого инжекционного ДГС-лазера, работающего в непрерывном режиме при комнатной температуре

позволили решить проблемы создания синих светоизлучающих диодов (1994 год) и лазеров (1996 год) на GaN-структурах (рис. 5), обладающих высокой интенсивностью и долговечностью. Таким образом, к настоящему времени перекрыт практически весь спектр оптического излучения. Ежегодно производятся сотни миллионов лазеров с боковым выходом излучения и вертикально ориентированным резонатором. По количеству выпускаемых единиц пока лидируют лазеры для CD-плееров, в то время как потенциально наибольшую важность представляют лазеры для оптоволоконной связи. ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ И ФУНДАМЕНТАЛЬНАЯ НАУКА Чрезвычайно важная область современной фундаментальной науки о твердом теле связана с возможностью

сформировать двумерный электронный газ в гетероструктурах с квантовыми ямами и сверхрешетками. Прикладывая перпендикулярно двумерному электронному газу сильное магнитное поле, К. фон Клитцинг открыл квантовый эффект Холла (Нобелевская премия по физике 1985 года) на специальных образцах, предоставленных М. Пеппером и Г. Дордой. Используя аналогичные высокие поля, Р. Лафлин, Х. Штёрмер и Д. Тсуи (Нобелевская премия по физике 1998 года) открыли дробный квантовый эффект Холла на сверхчистых AlGaAs–GaAs-гетероструктурах, созданных А. Госсардом методом МПЭ. Обнаружение этих эффектов, определяемых только фундаментальными величинами и не зависящих от особенностей зонной структуры, подвижности и плотности носителей заряда в полупроводнике, показало, что гетероструктуры можно использовать и

0,05 мкм p-GaN 120 × 25 A°

120 × 25 A°

p-Контакт

MD–SLS Al0,14Ga0,86N/p-GaN 0,1 мкм p-GaN 200 A° p-Al0,20Ga0,80N 4 × 20 A°

TiO2/SiO2

4 × 50 A°

n–Doped MQW In0,15Ga0,85N/In0,02Ga0,98N 0,1 мкм n-GaN 240 × 25 A°

Синий цвет

240 × 25 A°

MD–SLS Al0,14Ga0,86N/n-GaN 0,1 мкм n-In0,10Ga0,90N

n-Контакт n-GaN

10 мкм 100 мкм

SiO2

ELOG GaN

SiO2

d = 4 мкм

Рис. 5. Схематическое изображение гетеролазера, излучающего в синей области спектра. Активный слой выполнен из многослойной InGaN-структуры с квантовыми ямами. Для оптического ограничения фотонов вместо объемных AlGaN-слоев использованы пространственно промодулированные путем легирования InGaN/GaN-сверхрешетки. Толщина каждого из 743 слоев прибора должна очень внимательно контролироваться

80

С О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , Т О М 7 , № 9 , 2 0 0 1

ФИЗИКА для моделирования некоторых фундаментальных физических явлений. В дальнейшем стало возможным еще сильнее локализовать носители тока, заключив электрон в одномерной или даже нульмерной полупроводниковой структуре. Особенности проводимости в квантовых точках, локализованные состояния, туннелирование отдельных электронов и электронная структура в искусственных атомах и молекулах – таков неполный перечень новых интересных эффектов в физике полупроводников, при изучении которых используются гетероструктуры. Необходимо отметить, что инженерный подход к зонной структуре полупроводника (названный так Капассо) и ее конструированию с использованием сверхрешеток (в том числе в системе с гетеропереходами) был разработан Л. Есаки (Нобелевская премия 1973 года) и его коллегами Р. Тсу и Л. Ченгом в начале 1970-х годов. Как известно, сверхрешетки (их период больше постоянной кристаллической решетки и создан в результате легирования или изменения состава исходного материала) приводят к появлению дополнительного периодического потенциала для электронов. Этот подход (как его назвал Лео Есаки, “man made crystal”) позволяет расщепить параболические зоны в мини-зоны, разделенные малыми энергетическими зазорами и имеющие зону Бриллюэна, определяемую периодом сверхрешетки. Большой вклад в теорию таких систем со сверхрешетками внесли советские физики Р.Ф. Казаринов, Л.В. Келдыш и Р.Н. Сурис. Идеология “man made crystal” не только обеспечила создание искусственных кристаллов, но также в большой мере повлияла на научно-техническое развитие. ИНТЕГРАЛЬНАЯ СХЕМА – ЧИП Изобретение транзистора в конце 1947 года принято считать отправной точкой современной полупроводниковой техники (Нобелевская премия по физике 1956 года присуждена В. Шокли, Дж. Бардину, У. Браттейну). Транзистор оказался гораздо меньшим по размерам, более надежным и потребляющим меньше энергии элементом, чем радиоэлектронная лампа, которая изза этого постепенно утратила свое определяющее значение. Вызванная жизнью необходимость создания все более сложных систем, использовавших все больше радиоэлектронных ламп, привела к достижению предела на уровне порядка тысячи ламп. Паяное соединение отдельных транзисторов вместе на печатной плате смогло увеличить это количество до 10 000 штук. Однако достаточно скоро стало ясно, что именно количество транзисторов в реальной системе является ограничивающим фактором для удовлетворения нужд развивающейся компьютерной индустрии. Уже в нача-

ле 1950-х годов появились идеи создания транзисторов, резисторов и конденсаторов в едином композиционном блоке на полупроводниковом основании, или интегральной схемы. Первыми продемонстрировали практические возможности ИС два молодых инженера Джек С. Килби и Роберт Нойс, работавшие независимо друг от друга. Килби, однако, первым запатентовал это изобретение, и Р. Нойс узнал об этом, когда подавал соответствующие документы на патентование от своего имени. Создание ИС относится больше к разряду новых технических решений, нежели физических открытий. Но, как бы то ни было, оно принесло с собой множество новых вопросов, требовавших чисто физического объяснения. Например, почему применяемые в ИС алюминий и золото имеют различную адгезию к кремнию. Или другой вопрос: каким способом сделать плотные слои толщиной всего в несколько атомных слоев? Неудивительно, что разработка ИС повлекла за собой огромные инвестиции в исследования физики твердого тела. Это привело не только к развитию полупроводниковых технологий, но и к гигантскому скачку в приборостроении и инструментальной области. Естественно, что миниатюризация схем столкнулась и сталкивается поныне с множеством материально-физических ограничений и потребовала решения многих возникающих проблем. После появления идеологии целесообразности и перспективности перехода к ИС потребовались 10 лет, чтобы созрела технология, дающая возможность изготовить различные элементы не просто из одного и того же основного материала, но и из его одного куска. Изобретение ИС стало одним из важнейших, которое сделало возможным небывалый расцвет современной информационной технологии. Дж.С. Килби и Р. Нойса принято считать соизобретателями интегральной схемы. Нойс стал одним из основателей Силиконовой Долины. Он скончался в 1990 году, не дожив до полного триумфа своих идей. Килби продолжил карьеру изобретателя. Он, например, соизобретатель карманного калькулятора, который, как сначала считали, не будет иметь большого коммерческого успеха, поскольку уже существует логарифмическая линейка! Однако время показало исключительную полезность этого изобретения. Хотя большинство принципиальных технических и технологических решений в полупроводниковой микроэлектронике, основанной на ИС, впервые реализовано на Западе, заметный вклад в эту область высокой технологии внесли советские ученые и инженеры. Так, уже в 1972 году в Ленинграде, в организации, руководимой известными специалистами Ф.Г. Старосом и

Л И Б Е Н С О Н М . Н . ФУ Н Д А М Е Н ТА Л Ь Н Ы Е И С С Л Е Д О В А Н И Я …

81

ФИЗИКА И.В. Бергом (об истории их жизни пишет Д.А. Гранин в своем романе “Бегство в Россию”), был создан первый оригинальный советский карманный калькулятор на сверхбольших интегральных схемах (СБИС) и в дальнейшем организован его промышленный выпуск. По многим оценкам, отставание от передовых западных фирм в ту пору составило всего лишь 3–4 года. В частности, была разработана не имевшая аналогов лазерная технология ретуши фотошаблонов СБИС, позволившая заметно сократить технологический цикл их изготовления.

Благодарю А.А. Асееву и Г.А. Марциновского за существенную помощь в подготовке статьи.

И сейчас, спустя 40 лет после старта, ИС находятся в стадии изучения и развития, которое еще далеко от завершения. Образно говоря, микроэлектроника продолжает развиваться в направлении, движущей силой которого остается интегральная схема. Сегодня производятся процессоры с миллионом транзисторов, и в то же время уже сейчас возможен промышленный выпуск RAM (память с произвольным доступом) с емкостью, соответствующей миллиарду бит на чип.

Рецензент статьи Ю.В. Копаев

Продуктивность микроэлектроники (отношение производительности к цене) непрерывно растет: за последние 15 лет она стала в тысячу раз больше, чем продуктивность классических технологий. Подобное развитие ожидается и в обозримом будущем. Информационная и телекоммуникационная технологии продолжат изменять общество еще не одно десятилетие.

82

ЛИТЕРАТУРА 1. Advanced Information on the Nobel Prize in Physics 2000. Web site: www.kva.se. 2. Алферов Ж.И. Физика и жизнь. СПб.: Наука, 2000. 254 с. 3. Физическая энциклопедия. М.: Большая российская энциклопедия, 1988. Т. 1. С. 445–450.

*** Михаил Наумович Либенсон, доктор физико-математических наук, профессор кафедры лазерной технологии и экологического приборостроения Санкт-Петербургского государственного института точной механики и оптики, начальник лаборатории фотофизики поверхности Государственного оптического института им. С.И. Вавилова. Заслуженный деятель науки и техники РФ, лауреат Государственной премии СССР. Область научных интересов – теория взаимодействия интенсивного лазерного излучения с веществом, лазерноиндуцированные неустойчивости и самоорганизация, лазерная химия, поверхностные электромагнитные волны, ближнепольная оптика. Автор двух монографий, свыше 200 научных работ и 25 изобретений.

С О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , Т О М 7 , № 9 , 2 0 0 1