Сложнейшее изобретение человечества. «В МИРЕ НАУКИ» № 10, 2021 г.

Основная миссия лаборатории прикладных нанотехнологий НИЦ «Курчатовский институт», созданной по инициативе М.В. Ковальчука еще В 2008 г., — разработка микроэлектронных интерфейсов, обеспечивающих связь микроэлектронного технологического пространства и живой материи, а также исследования в области СВЧ-электроники, сверхпроводящих материалов, микрофлюидики и других прорывных направлений науки. 

О том, почему самые сложные изобретения в мире связаны именно с микроэлектроникой, мы говорим с начальником отдела прикладных нанотехнологий Курчатовского комплекса НБИКС-природоподобных технологий Максимом Леонидовичем Занавескиным.

— Какую роль в нашей жизни играет микроэлектроника?

— Я думаю, каждый житель нашей страны, да и не только нашей, прекрасно понимает, что микроэлектроника поменяла весь мир радикальным образом. Сейчас, когда смотришь с детьми старые фильмы, трудно им объяснить, почему в той или иной ситуации нельзя было просто позвонить по мобильному телефону и предупредить. Ведь, казалось бы, что может быть проще? Но для того чтобы это стало возможным, была проделана колоссальная работа и потребовались десятилетия исследований.

Можно сказать, сегодня мы стали свидетелями нового технологического уклада, который сформировался благодаря цифровизации.

Мы видим, как буквально на наших глазах персональные компьютеры, поисковые системы все больше вовлекают нас в мир искусственного интеллекта. По сути, это нейросети, которые занимаются обработкой огромных массивов данных. Помню, как в студенчестве, чтобы найти какую- то подходящую научную статью, нам приходилось часами сидеть в библиотеке, заполнять карточки, заказывать журналы и т.д., а сейчас нажал две кнопки — и получаешь целую подборку литературы в соответствии со своим поисковым запросом. Причем с каждым годом эти системы поиска обучаются и делают свою работу все эффективнее.

А вообще, микроэлектроника, если говорить о том, как она устроена внутри, — это удивительный и чудесный мир. Пожалуй, на сегодня это самая сложная из когда-либо созданных человеком технологий. А основа всего — сверхбольшая интегральная схема (СБИС), тот процессор, который работает в наших компьютерах.

Что он собой представляет? Это кристалл кремния, на котором сформированы транзисторы, а их размер в сотни раз меньше длины волны света, то есть сопоставим с сотнями атомов. И таких транзисторов там несколько десятков миллионов. А теперь представьте, что вам нужно сделать 10 млн абсолютно одинаковых транзисторов на кристалле размером 2x2 см, и это лишь малая часть пластины; современные пластины — это 300-450 мм в диаметре. Так вот, для того чтобы сделать такое устройство (процесс занимает около двух месяцев), создается специальный технологический маршрут, по которому идет эта пластина, на ней формируются транзисторы за множество итераций, над ними производят, наверное, десятки тысяч различных манипуляций — и все это в абсолютно чистых, специальных условиях. Сложнейшее дело! И все эти 10 млн должны работать как часы: точно и абсолютно одинаково. Поэтому микроэлектроника — очень сложная и интересная область, и она не перестает меня увлекать на протяжении многих лет.

— Как эволюционирует микроэлектроника?

— С точки зрения обычного пользователя действительно может показаться, что все уже изобретено. Но человеческая мысль никогда не стоит на месте. И если углубиться в детали, то вы поймете, что мир микроэлектроники — это бурно кипящий котел изобретений, новых технологий.

Микроэлектроника очень специфична в каких-то спецзадачах. Но дело не ограничивается только тем большим процессором СБИС, о котором я упоминал выше. Собственно, был процессор, он умел считать. Потом решили, что было бы неплохо быстро передавать информацию, — в итоге появились части процессора, которые адаптированы и специализированы для того, чтобы передавать большие числа. Затем появилась задача создавать компьютерные игры, то есть «натягивать» на некий трехмерный образ изображение, скин. В результате появились графические ускорители — специализированные процессоры, направленные на решение определенных задач. Сейчас появились и так называемые сопроцессоры, которые в основном решают задачу распознавания лиц, голосов и т.д., — это нейроускорители, работающие по нейроалгоритмам. И вся эта система постоянно развивается.

Еще есть часть электроники, которой мы как раз здесь больше занимаемся, — связанная не с цифрой, а с радиосигналом. Грубо говоря, наш телефон должен «договориться» с базовой станцией, а она, в свою очередь, должна ему «ответить». Все это становится возможным благодаря мощной СВЧ-аналоговой электронике (СВЧ — сверхчастотной), которая, в частности, отвечает за то, чтобы автомобиль, например, мог определить расстояние до бампера соседней машины, или, скажем, радар — увидеть какой-нибудь самолет далеко в небе и т.д. Это и гражданское, и специальное применение.

Вы, наверное, обратили внимание, что с каждым годом буквы в уголке вашего сотового телефона меняются: 2G, 3G, LTE и т.д. Что это значит с точки зрения пользователя? А то, что раньше мы ждали пять минут, чтобы загрузить одну картинку, а сейчас уже без проблем смотрим видео высокого разрешения в своем мобильном интернете. Все это определяется постоянным прогрессом в области упомянутых СВЧ-технологий. Устройства становятся мощнее, на больших частотах, что позволяет быстрее передавать информацию.

— И, наверное, не только мощнее, но и меньше? Тенденция к миниатюризации по-прежнему сохраняется в мире электроники?

— Очень интересный и отчасти философский вопрос, и ответов на него существует много. Миниатюризация не возникает просто так, она всегда нужна для каких-то определенных целей.

С точки зрения самой микроэлектроники миниатюризация хорошо согласуется с законом Мура, который гласит, что количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые два года, а значит, за определенное количество лет критический размер в топологической схеме должен уменьшиться в два раза, то есть плотность элементов вырастет в два раза. Зачем это нужно? Закон Мура — это история не про плотность элементов на пластине, а про деньги, и, если коротко, так выгоднее, ведь уплотнив элементы на одной и той же пластине, мы получаем больший выход.

Второй важный момент, связанный с миниатюризацией: наша электроника греется, когда работает. Было очень много ухищрений, чтобы избежать этого нагревания или минимизировать его. И одно из решений проблемы — миниатюризация, потому что зачастую такие паразитные явления, как утечки токов и т.д., связаны как раз с размером элемента: чем меньше элемент, тем меньше этих самых утечек. И это, кстати, вызов, связанный и с долговременной автономной работой устройств. Борьба за долгую автономную работу с минимизацией потерь, утечек и пр. всегда актуальна в нашем деле.

— Подобные исследования, насколько я знаю, ведутся и в вашей лаборатории. Расскажите подробнее о том, над чем вы работаете с коллегами.

— Тематик у нас довольно много, но давайте коснемся одной из главных — СВЧ-электроники, а именно усилителей мощности.

Приведу простой пример. У нас есть радар несть некий объект в небе, пусть это будет ворона. Мы хотим узнать, где она находится, куда летит и что с ней происходит. Для этого нужно просканировать небо лучом электромагнитных волн. У электромагнитного излучения есть длина волны. Соответственно, мы должны ее выбрать. Каким образом? В принципе, длина волны должна быть сопоставима с размером вороны. Раньше для подобного сканирования ставили большую мощную лампу, которая генерировала то самое СВЧ-поле, разделяли его на множество каналов и в каждом ставили свой фазовращатель, чтобы, управляя фазой точечных излучателей, просканировать небо. Но таким образом все небо особо не просканируешь, поэтому приходилось эту штуку еще и крутить. Однако благодаря появлению так называемой твердотельной электроники, когда от ламп уже отказались, у нас теперь есть возможность в крошечном кристалле на нескольких квадратных миллиметрах иметь генератор очень большой СВЧ-мощности. Твердотельный генератор может быть установлен в каждый такой канал по отдельности, он управляет фазой сигнала и т.д. Как результат — мы можем видеть дальше и намного больше объектов.

Возвращаясь к вопросу о том, что все уже давно открыто: как ни странно, еще далеко не все, и новые материалы появляются постоянно.

Появление новых технологий — процесс довольно медленный: как правило, речь идет о десятилетиях. Но если вспомнить историю, то сначала у нас были так называемые арсенидные гетероструктуры, на основе которых создавались транзисторы для сотовых телефонов, а сейчас материал поменялся и речь идет уже о сотовых связях нового поколения, у которых пропускная способность на порядок выше.

— На основе кремния?

— Кремний — это один материал моносостава. Мы можем управлять его физикой, вводя в его состав разные примеси. Грубо говоря, намазываем на кремниевую пластину фосфор и кладем в печку. Фосфор диффундировал в кремний, и получилась область с измененной проводимостью. На этом принципе работают все наши кремниевые устройства. нули и единицы. Но для того чтобы сделать светодиод или СВЧ-транзисторы, нужен иной подход. Мы берем некую кристаллическую подложку, а дальше с помощью установки, в условиях вакуума, близкого к космическому, распыляем атомы материалов. В абсолютно чистых условиях на подложку ничего лишнего не попадает. Чтобы этого добиться, мы располагаем в камере экраны, наполненные жидким азотом, а жидкий азот — это -200° С. Рядом стоят емкости с металлом, разогретые до температуры 1500° С. Оттуда расплавленный металл вместе с рабочими газами попадает на подложку, где происходит специфическая химическая реакция. Мы искусственно растим кристалл на этой подложке, это так называемый эпитаксиальный рост. Кристалл наследует структуру кристаллической подложки, таким образом, реализуется направленный рост кристаллов на кристалле. Что мы в этом случае можем делать в отличие от кремния? Мы можем менять состав кристаллов в процессе роста, то есть растить «бутербродики» с разными свойствами, и благодаря тому, что эти свойства управляемо изменяются, мы можем получать ту физику, которая кремнию недоступна.

Основные продукты гетероструктурной электроники — это СВЧ, светодиоды, которые у нас сплошь и рядом. Экономия энергии при этом составляет десять порядков, а КПД в разы улучшается, потому что светодиод в отличие от лампы накаливания не греется.

— Есть ли какой-то новый материал, который может стать основой для новой будущей микроэлектроники? Может, графен?

— Я считаю, что не будет никакой посткремниевой эры. В кремниевое направление вложено колоссальное количество денег, технологий, человеческих ресурсов. колоссальное количество денег, технологий, человеческих ресурсов. Понимаете, чтобы появилась новая технология, она должна быть не чуть-чуть лучше, а принципиально лучше. Она должна давать качественно иные уровень и результат. А чем, собственно, кремний не устраивает? Кремний в широком понимании, включая архитектуру того, что из него можно делать, конечно же себя не исчерпал и вряд ли на нашем веку исчерпает. И пока нет ничего такого, что обещало бы заметно большую выгоду в ближайшее время

Что касается графена, я думаю, его значение изрядно переоценивают. О графене много говорили начиная с 2000-х гг. и говорят по сей день. Прошло 20 лет — и где реальные прорывные результаты и повсеместное применение? Этого пока не видно. Дело в том, что графен не особо технологичен. Получить графен в виде монослоя на какой-то подложке, с которой работает микроэлектроника, пока толком никому не удалось. Все эти графитовые вещи, безусловно, очень полезны в создании, например, карбоновых велосипедов. Очень легкая и прочная рама. Графитовые наноструктуры хороши для создания композитных материалов. Но если мы говорим о серьезной науке, здесь графен пока так и остается в рядах лишь подающего надежды материала.

— Вернемся к вашим исследованиям. Вы их оцениваете как фундаментальные или прикладные?

— В первую очередь это прикладные исследования. Дело в том, что специфика тех материалов (нитрид галлия, гетероструктуры и т.д.), с которыми мы работаем, и той электроники, которой мы занимаемся, критически важна для обороноспособности страны, для развития собственных технологий связи и других технологий. Эти технологии обязательно нужно иметь в России, а не покупать за рубежом.

Как это выглядит на практике? Есть, например, зарубежная технология, и мы пытаемся сделать такую же у нас, или не такую же, а даже лучше. В процессе в голову приходят разные идеи, которые мы апробируем. Таким образом, появляются и некие фундаментальные направления, которые зачастую находят свое применение в будущих технологиях.

В частности, у нас есть очень интересная работа — рост нашего материала, гетероструктур нитридов, на алмазных подложках. Дело в том, что алмазы — уникальный материал с замечательной теплопроводностью. Зачастую возможности применения электроники ограничены тем, как отвести оттуда огромное количество тепла. Мы придумали, как сделать транзисторы с алмазным теплоотводом, которые позволяют в несколько раз поднять мощность транзисторов и на несколько порядков продлить срок их службы.

Наши изобретения находят свое применение также в космической и атомной отрасли, ведь материалы, которыми мы занимаемся, имеют очень хорошую радиационную стойкость.

— С какими сложностями вам приходится сталкиваться в процессе работы?

— Самое сложное — это междисциплинарность. Дело в том, что современная наука сильно специализирована. Людей, которые понимают сквозным образом в какой-то тематике, очень мало. А большая часть специалистов — это люди, решающие сугубо узконаправленные вопросы. Да и сами исследования крайне фрагментарны: скажем, кто-то выбрал новые материалы и показал, что с ними возможно что-то сделать, но довести все до конечной продукции — это редчайшая вещь, мало кто на это способен.

В нашей лаборатории мы занимаемся полным технологическим циклом от эпитаксиального роста гетероструктур до создания транзисторов. На все это уходит около двух-трех месяцев. Самое сложное — иметь терпение и волю, чтобы довести идею до реального воплощения, а также внимание, чтобы следить за каждой технологической операцией. И часто только в конце процесса удается узнать, правильны ли были изначальные предположения.

— Много ли молодых сотрудников в вашей команде? Какие специалисты наиболее востребованы здесь?

— Наша лаборатория открылась в 2008 г., и тогда мы активно набирали молодежь. Мы брали практически всех желающих, многие ребята из ведущих физических, физико-технических вузов и факультетов нашей страны проходили дипломную практику или аспирантуру в нашей лаборатории в стенах Курчатовского института. Понятно, что для работы здесь нужно определенное образование, но самое главное качество, которым должен обладать специалист, — это любовь к процессу. Многие люди настроены на результат, и это тоже хорошо, но когда результата порой приходится ждать месяцами или годами, как это часто случается в науке, а иногда он бывает отрицательным, то любовь к самому процессу — ключ, который позволяет двигаться дальше. И, конечно, важно уметь взаимодействовать с коллегами, вместе добиваться поставленных целей.

В целом могу сказать, что у нас, как, наверное, и везде, востребованы люди, которые готовы брать на себя ответственность, которые работают по совести и с интересом к своему делу. Вот эти качества очень важны, а всему остальному можно научиться.

— Как часто вы взаимодействуете с коллегами из других лабораторий Курчатовского института?

— Междисциплинарные исследования играют важную роль в нашей работе. С коллегами по цеху мы общаемся постоянно, с большим удовольствием и взаимной пользой. В первую очередь это исследования, касающиеся диагностики наших изделий. В нашем институте существуют огромные возможности для взаимодействия в плане роста кристаллов и того, как выглядят транзисторы на уровне отдельных атомов и т.д. Прямо за стеной нашей лаборатории находится Курчатовский синхротрон — уникальный инструмент, с помощью которого можно посмотреть на тончайшие слои кристаллов, которые мы выращиваем. У нас есть замечательные коллеги, которые занимаются экзотической новой электроникой на основе сверхпроводимости. Мы с ними очень активно работаем и друг другу помогаем.

— А что насчет международного сотрудничества? Во время пандемии его стало меньше?

— Отнюдь нет. Пандемия не сократила количество наших контактов с иностранными коллегами, так как большая часть этого общения и до пандемии проходила в режиме онлайн. Так что международное сотрудничество продолжается.

Пожалуй, наша самая рейтинговая публикация в соавторстве с европейскими коллегами вышла в 2018 г. — она называется к space imaging of anisotropic 2D electron gas in GaN/GaAIN high-electron- mobility transistor heterostructures. Эта работа была опубликована в журнале Nature Communications. Наши коллеги, работая на швейцарском синхротроне SLS, впервые посмотрели с помощью метода фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением структуру двумерного электронного газа в наших гетероструктурах. Эта работа имеет фундаментальный характер, но для нас важно, что мы впервые увидели, нащупали что-то новое о природе вещей. Сейчас это сотрудничество продолжается, и мы пытаемся создать некий транзистор с затвором из графена, чтобы он был прозрачным для методики наших иностранных коллег, чтобы там можно было менять состояние двумерного газа и т.д.

— Сейчас, в Год науки и технологий в России, часто поднимают вопрос о привлечении молодежи в науку. А что, на ваш взгляд, влияет на решение юношей и девушек связать свою жизнь с наукой?

— Сложный вопрос. Я обычно сразу спрашиваю молодых ребят о том, кто их родители, и чаще всего выясняется, что они тоже занимаются наукой. Так что преемственность, думаю, играет здесь одну из главных ролей. Когда молодежь видит пример успешной реализации в науке в лице своих родителей или друзей, это тоже оказывает огромное влияние.

Что еще может привлекать людей? Безусловно, деньги. Достойная зарплата, конечно, нужна, но деньги — далеко не первый фактор, влияющий на решение связать свою судьбу с наукой. Наука — это определенный склад ума.

Для молодежи важен также и престиж, определенное отношение к профессии в обществе. Поэтому, чтобы привлечь людей в науку, нужно грамотно заниматься ее популяризацией. Человеку всегда проще тянуться к каким-то псевдонаучным идеям, которые так часто транслируют по телевидению и в интернете, в то время как настоящая наука заставляет нас напрягать мозг — здесь нет простых решений.

И напоследок упомяну еще такой фактор, как жилье. Для молодых ученых, особенно из регионов, это очень важная составляющая при принятии решения. Жизнь москвича и немосквича с ипотекой при одном и том же доходе сильно различается. Возможно, служебное жилье от институтов за выслугу лет или за другие заслуги существенно повысило бы привлекательность научной карьеры для молодежи.

Вообще, в последние годы престиж отечественной науки снова растет. И это не может не радовать!