CC BY
80УДК 67.02
Ю.Р. Носов, А.Ю. Сметанов,
Открытое акционерное общество «Научно-производственное предприятие "Сапфир"»
КНС-технология - важнейший ресурс экстремальной электроники*
Открытое акционерное общество «Научно-произаводственное предприятие "Сапфир"»
Открытое акционерное общество «Научно-производственное предприятие "Сапфир"» имеет более чем 60-летний опыт разработок и производства полупроводниковых приборов. Первые исследования с применением структур «кремний на сапфире» (КНС) начались в Научно-исследовательском институте «Сапфир» в 1969 году. Перед его коллективом стояла задача разработки быстродействующих диодных матриц для проекта супер-ЭВМ «БЭСМ 10». На этом этапе было
подтверждено ожидаемое высокое быстродействие элементов, изготовленных на подложках «кремний на сапфире», и были освоены основные технологические процессы, применяемые при изготовлении приборов. В 1974 году решением Министерства электронной промышленности Научно-исследовательский институт «Сапфир» был определен головным предприятием по разработке и производству больших интегральных схем по технологии КМОП-логики (ком-
плиментарный металл - оксид - полупроводник) на основе структур «кремний на сапфире». Эта технология является в настоящее время одной из самых распространенных технологий сверхбольших интегральных схем (СБИС). Каждый логический элемент этой микросхемы состоит из пары взаимодополняющих полевых транзисторов (п-МОП и р-МОП).
КНС-микросхемы («кремний на сапфире») используются лишь там, где они обеспечивают качественные характеристики аппаратуры, недостижимые при использовании традиционных микросхем. Это означает, что эти микросхемы могут эффективно использоваться лишь в тех или иных специальных устройствах преимущественно военного назначения. Сегодня ими укомплектовываются системы управления баллистических ракетных комплексов морского базирования, таких как «Синева», «Булава» и др.
Прежде всего поясним, что КНС-микроэлектроника использует в качестве полуфабриката -основы для изготовления микросхем не стандартную кремниевую пластину, а особую структуру «кремний на сапфире», представляющую собой тонкую пленку монокристаллического кремния, выращенного на отполированной поверхности подложки из искусственного сапфира. По внешнему виду это прозрачный диск диаметром 100-200 мм и толщиной 0,5 мм. Напомним, что очищенный от примесей сапфир (химиче-
* Авторы выражают благодарность профессору Ю.А. Концевому за помощь при подготовке статьи к печати. © Носов Ю.Р., Сметанов А.Ю., 2014
ЮРИИ
РОМАНОВИЧ НОСОВ
доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки и техники, начальник лаборатории открытого акционерного общества «Научно-производственное предприятие "Сапфир"». Сфера научных интересов: полупроводниковая электроника и микроэлектроника (физика, технология, приборы, общие вопросы), история электроники и общая история. Автор более 300 публикаций
АЛЕКСАНДР ЮРЬЕВИЧ СМЕТАНОВ
доктор экономических наук, заведующий кафедрой Московского государственного технического университета радиотехники, электроники и автоматики, профессор кафедры менеджмента Московского государственного технического университета (МАМИ), генеральный директор открытого акционерного общества «Научно-производственное предприятие "Сапфир"». Сфера научных интересов: экономика и управление. Автор более 45 публикаций
Рассматриваются проблемы отечественной электроники. Освещаются достоинства КНС-технологии как направления для получения положительных результатов в технологической цепочке «от разработки до производства и потребления готовой продукции». Обосновывается привлекательность КНС-тематики для вузовской науки, малых наукоемких бизнесов и стартапов.
Ключевые слова: КНС-микроэлектроника, современный уровень технологии, оборонная техника, сверхжесткие внешние воздействия, наноразмерные СБИС, микропроцессорный комплект, цифровые и аналоговые микросхемы.
The problems of domestic electronics, denoted advantages SOS technologies such as directions to get positive results in the process chain from design to production and consumption of the finished product. Substantiated appeal SOS subjects for high school science, high-tech small businesses and start-ups.
Key words: SOS microelectronics, the current level of technology , defense technology, tough over external influences , nanoscale SBIC , microprocessor kit, digital and analog circuits.
ский состав А1203) прозрачен, как и кремниевая пленка субмикронной толщины [5].
Определяющий тренд развития микроэлектронной технологии во все времена заключается в непрерывном уменьшении топологических размеров 1т|П и повышении степени интеграции, то есть максимального количества элементов (транзисторов), размещаемых в чипе Мтах. Этим достигаются повышение производительности и снижение стоимости обработки информации (передачи, хранения, преобразования и др.), что обе-
спечивает последовательное проникновение микроэлектроники во все сферы человеческой деятельности, в той или иной степени связанной с обработкой информации. В наше время микроэлектроника стала универсальной технологией, пронизывающей практически все отрасли техники и науки. Это достигнуто благодаря разработке и сверхмассовому производству на-норазмерных сверхбольших интегральных схем. Высший современный уровень технологии характеризуется значениями 1т|П < 32 нм и
^мах * 1°9-1°10
Высочайший динамизм прогресса микросхем (определяемый так называемым законом Мура1) приводит к тому, что долго удерживаться на передовых позициях могут лишь такие фирмы-гиганты, как Intel, Samsung, Toshiba и другие, ведущих электронных стран (США, Япония, Южная Корея, Китай и др.). Дело в том, что стоимость производства сверхбольших интегральных схем непрерывно растет и достигает нескольких миллиардов долларов на создание одного современного завода. Оно оказывается рентабельным только при условии сверхмассового изготовления и потребления микросхем. Вся традиционная цепочка «научно-исследовательские работы - опытно-конструкторские работы - создание нового производства - само производство -применение» должна быть самосогласована по затратам.
В нашей стране этот баланс до 1980 годов поддерживался потребностями оборонной промышленности во время холодной войны. Тогда нам удавалось идти вслед за США с относительно незначительным отставанием (3-5 лет). Однако при переходе к степени интеграции Ммах > 106 затраты на модернизацию производства оказались неподъемными для страны, началась стагнация, а известные политические события 1990-х годов окончательно выбили СССР из ряда сколь-нибудь заметных «микроэлектронных» держав мира2.
1 Ежегодное удвоение числа транзисторов на промышленно выпускаемых чипах микросхем - такую эмпирическую закономерность предложил мировому сообществу в 1965 году Г. Мур, один из легендарных основателей первой микроэлектронной фирмы Fairchild (преобразованной в 1967 году в Intel). После того, как эта закономерность подтвердилась в течение 15-20 лет, ее по американской традиции стали называть законом Мура. Заметим, что эмпирическая кривая (точнее, прямая в полулогарифмическом масштабе) была построена Муром лишь по пяти экспериментальным точкам (начиная с 1959 года) с 12 элементами на чипе первой микросхемы (фактически - прототипа) и экстраполирована на необозримое будущее (то есть фактически дана умозрительно). Это первая вольность в трактовке эксперимента. Другая заключалась в том, что при начале производства (от нуля) прогресс всегда идет намного быстрее, чем впоследствии, третья - что и по оставшимся четырем точкам (исключив первоначальную) прямую можно было построить с разным наклоном. Подтверждение закономерности в последующее время достигалось некоторым произволом в выборе «точек года» по известному принципу «теоретика тянет к экспериментальной кривой, как пьяного к забору». Но при всем том закон Мура (экспоненциальный «рост прогресса») действительно соответствует самой сущности микроэлектронной кремниевой технологии (групповые методы обработки, фотолитография и др.), хотя временной показатель удвоения t2 по мере роста объемов производства увеличился до t2 и 1,5-2 года.
2 Мы придерживаемся той точки зрения, что начало спада и стагнации нашей электроники после пиковых достижений 1975-1980 годов есть объективный процесс. При той масштабности, которой достигла микроэлектроника, страна не могла противостоять всему миру, который все более консолидировался (через транснациональные компании) и использовал преимущества разделения труда и конкуренции. События 1989-1991годов лишь резко усилили темп нашего отставания, доведя его до катастрофического.
Масштабные проекты последнего времени («нанотехнологии», «Сколково» и др.) - это позитивный посыл к развитию наукоемкого бизнеса и отходу от сырьевой экономики. Вместе с тем предложенные проекты, ориентированные на исследования и разработки, существуют сами по себе, а реальное производство аппаратуры (в тех мизерных объемах, которые как-то сохранились) само по себе, используя в значительных объемах импортную электронную компонентную базу, материалы, аналитику (мы говорим лишь о микроэлектронике). Следует отказаться от дезориентирующих призывов к возрождению нашей электроники3, осознать свое реальное место в электронном мире и исходя из этого планировать развитие под запросы отечественного аппара-тостроения с учетом отечественных возможностей. Очевидно, что ни одна сфера гражданского применения (бытового, промышленного) не может рассматриваться в качестве конечного потребителя. Если в любой из этих сфер (светодиодное освещение, медтехника, волоконно-оптическая связь, мобильники, смартфоны и др.) объявить неподтасованный тендер, то его непременно выиграют китайцы. Только оборонная техника, защищаемая от импорта различными ограничениями и запретами, может и должна быть целью крупных электронных проектов. (Затронутые общие проблемы отечественной электроники несомненно требуют специального, более углубленного всестороннего анализа, чему в частности посвящен ряд наших предыдущих работ [69]. В настоящей статье эти труды мы упомянули только для того, чтобы подтвердить тезис, вынесенный в заголовок.)
К счастью (для нас), современная микроэлектроника по кругу решаемых задач столь многомер-
3 Советская электроника была полноформатной, то есть по номенклатуре выпускаемых изделий соответствовала электронике США, отставая от нее по уровню параметров и объемам производства. Катастрофа последнего четвертьвекового прозябания выкосила целые классы электронных изделий, о каком же возрождении может идти речь?
на, что не сводится исключительно к наноразмерным сверхбольшим интегральным схемам. Существуют и обширные потребительские ниши, требующие принципиально иных изделий. Например, сверхвысокочастотная (СВЧ) электроника - основа радиолокационных оборонных систем, экстремальная электроника, которая обеспечивает функционирование аппаратуры в условиях сверхжестких внешних воздействий (механических ударов и вибраций, резких перепадов температуры, различных видов проникающей радиации), микроэлектроника вторичных источников питания, фото и лазерная электроника и др. Заметим, что эти направления, преимущественно оборонного назначения, успешно закрываются микросхемами, не требующими обязательного достижения рекордных значений 1т|П и Мтах. Но в тоже время здесь особенно остро ставится вопрос о высочайшей надежности и долговечности. Так, к аппаратуре перспективных спутников предъявляется требование бессбойной работы в течение 12-18 лет (и это в условиях жесткой космической радиации), а для стратегических ракет шахтного базирования гарантированный срок хранения микросхем должен составлять десятки лет. Подчеркнем, что такие обнадеживающие характеристики обеспечиваются не только конструктивно-технологическим совершенством изделий, но и методами контроля качества, которые постепенно стали столь изощренными, организационно- и наукоемкими, что превратились в важнейший самостоятельный фрагмент разработок и производства.
Заметим, что в советское время система контроля качества в электронике вполне соответствовала мировому уровню, в чем решающую роль играл институт во-
енных представителей в промышленности. Увы, и эта сфера в постперестроичные годы катастрофически деформировалась, однако традиции еще живы, так что восстановление былого отношения к качеству отечественных микросхем вполне реально, нужна только политическая воля.
Именно на этих, казалось бы, «частных» направлениях, напрямую не связанных с наноразмер-ными сверхбольшими интегральными схемами, отечественной электроникой достигнуты наиболее впечатляющие результаты. Мы имеем в виду всю цепочку «разработка - производство -потребление» (например, взлет «Пульсара» и «Истока» на сверхвысокочастотной тематике, устойчивое развитие Минского и Воронежского микроэлектронных концернов и др.).
В этом же ряду стоит и КНС-технология. Напомним ее отличительные особенности.
Техпроцесс начинается с того, что кремниевая пленка растравливается системой канавок до образования обособленных друг от друга островков кремния, в которых и формируются отдельные транзисторы (рис.)
Исток
Затвор / .Сток
Ш п* Р \ \
( Сапфир "^Область 3 канала /
Рис. Процесс формирования КНС-транзисторов
Тем самым возможные паразитные связи между транзисторами обязательно проходят через сапфировую подложку, а она представляет собой практически идеальный изолятор, в том числе и в сверхвысокочастотном диапазоне. Кроме всего, сапфировая подложка химически и термически стойка, механически прочна
и обладает относительно высокой теплопроводностью. Все это, несомненно, вносит свой вклад в надежность КНС-микросхем.
Названные физические и конструктивные особенности константны обязательны для КНС-микросхем любого назначения. Отсюда вытекают два принципиальных достоинства КНС-микросхем, выделяющих их среди всех других разновидностей микросхем того же класса.
Во-первых, это повышенное быстродействие цифровых КНС-микросхем, близкое к быстродействию подобных микросхем на основе GaAs или GeSi. При этом мощность, потребляемая КМОП-КНС (структурой «комплементарный металл - оксид - полупроводник» - «кремний на сапфире») микросхемой, заметно меньше, иногда в разы [1]. Это обусловлено минимизацией всех паразитных емкостей и токов утечки. Фактически только КНС-технология позволяет полностью реализовать потенциальные возможности КМОП-схем. В случае аналоговых КНС-микросхем это достоинство выступает как повышенная высокочастотность. Кроме того, отсутствие паразитных связей обуславливает низкий уровень помех, исключительную линейность в коммутаторах, аттенюаторах, смесителях и широкий динамический диапазон. Дополнительным достоинством является простота объединения в одной микросхеме цифровых и аналоговых функций.
Во-вторых, высокая радиационная стойкость КНС-микросхем. Отсутствие паразитных транзисторных связей элементов схемы между собой и с подложкой, а также незначительность объема кремния под затворами МОП-структур исключает возникновение защелкивания при воздействии у-импульсов, тяжелых заряженных частиц, мощных электромагнитных импульсов. Исключение из конструкции микросхем элементов с высокими атомны-
ми номерами (в продукции «Сапфира» это достигается монтажом чипов на гибкий ленточный поли-имидный носитель с алюминиевой металлизацией) обеспечивает устойчивость микросхем к воздействию мощных импульсов сверхжесткого рентгеновского излучения. Мощные электромагнитные импульсы и сверхжесткие рентгеновские излучения сопутствуют ядерному взрыву. Обобщение результатов теоретических оценок и многочисленных натурных и имитационных испытаний всего многообразия кремниевых микросхем приводит к заключению, что КМОП КНС - это единственная технология, обладающая стойкостью ко всем радиационным эффектам космического происхождения, возникающим вблизи ядерно-энергетических объектов, сопутствующих ядерному взрыву [11].
Отметим, что КНС-технология наилучшим образом подходит для изготовления КМОП-приборов, она позволяет получать почти идеальные характеристики КМОП-ключей. С другой стороны, именно КМОП-транзисторы лучше, чем какие-либо другие, обеспечивают возможность использования КНС-структур. Можно сказать, что КНС и КМОП удачно нашли друг друга.
Существенно и то, что принципы КНС-технологии оказались созвучны будущим представлениям о перспективах развития кремниевой микроэлектроники. Авторитетные международные конференции наших дней ^М и ^СС утверждают гегемонию КМОП-приборов, изготавливаемых в обедненном кремнии, «утопленном» в изолятор FD-SOI [8]. Разумеется, решение ищется для области минимальных размеров транзисторов ~ 20-10 нм и менее, что недоступно КНС-технологии, но общность генеральной идеи -минимизация объема кремния под затвором транзистора - налицо. Порой складывается впечатление, что наиболее продвинутые
технологи, будь их воля, вообще исключили бы полупроводники из полупроводниковой микроэлектроники (шутка). А если серьезно, то дело к этому и идет, если задуматься о германиевых и кремниевых моноатомных пленках как возможном материале транзисторов будущего [2].
Подтверждением сказанному служит многолетний опыт нашего предприятия в деле разработки и производства КНС-микросхем трех серий: Б1825, Б1620,1523.
Серия Б1825 представляет собой микропроцессорный комплект, предназначенный для построения цифровой аэрокосмической аппаратуры. В состав комплекта входят раз-рядно-модульный микропроцессор, арифметический расширитель, умножитель, а также ряд микросхем сопряжения с различными периферийными интерфейсами. Всего в комплекте 10 микросхем: Б1825ВСЗ-2 - 16-разрядный модульный микропроцессор; Б1825ВР5-2 - арифметический расширитель 8х8; Б1825ВРЗ-2 - умножитель 16х16; 1825ВБ2Н2 - перестраиваемый синхронизатор; Б1825ВВ1-2 - кодер-декодер мультиплексного канала; Б1825ВА1-2 -логический элемент согласования; Б1825ВА2-2 - коммутатор магистралей; Б1825ВАЗ-2 - магистральный приемопередатчик; Б1825ИР1-2 - многофункциональный регистр; Б1825ВК1-2 - мажорирующий элемент.
В серию Б1620 вошли следующие микросхемы запоминающих устройств, предназначенных главным образом для работы совместно с микропроцессорным комплектом серии Б1825: Б1620РУ2- - оперативное запоминающее устройство с информационной емкостью 4К; Б1620РЕ1-2 и Б1620РЕ2Н-2 - масочные постоянные запоминающие устройства с информационной емкостью 16К и 32К соответственно.
Особняком стоят микросхемы серии 1523, сочетающие цифро-
вые и аналоговые функции: микросхема 1523ПА1 - быстродействующий цифро-аналоговый преобразователь на 10 двоичных разрядов; микросхема 1523 ХП1 - преобразователь временных интервалов в цифровой код; применяется в дально-, высото-, толщиномерах, в радиолокационной технике; микросхема 1523ХП2 - измеритель временных интервалов; микросхема 1523 ПВ1, ПВ2 - быстродействующие параллельные шести-восьмиразрядные аналого-цифровые преобразователи.
Микросхемы серии 1523 изготавливаются в металлокерамиче-ских 24-выводных корпусах, имеют все расширяющееся применение, отличающееся от предназначения основных микросхем разработанного КНС-семейства серии Б1825 и Б1620. Они используются в бортовых системах управления ракетных комплексов стратегического назначения (более подробное описание их характеристик и технологии применения дано в работах «Микроэлектроника бортовых вычислительных комплексов. Стратегия успеха» и «КНС-микроэлектроника в Науч-
но-производственном предприятии "Сапфир"» [3, 5]).
Отметим, что кроме тех принципиальных достоинств, которыми обладают КНС-изделия (высокое быстродействие при малой потребляемой мощности и высокая радиационная стойкость), в процессе разработки микросхем серий Б1825 и Б1620 было обеспечено выполнение некоторых специфических требований, продиктованных условиями их применения. Это: расширение допуска на колебания напряжения питания (от 4,5 до 7,5 В вместо традиционного 5В ± 10%); бескорпусное оформление чипов на полии-мидных носителях с ленточными выводами (модификация -2), пригодное для автоматизированного монтажа микросхем в герметизируемые модули; гарантирование срока службы приборов до 100 тыс. час., то есть свыше 12 лет.
Так появились микросхемы, не имеющие аналогов ни в отечественной, ни в зарубежной микроэлектронике, которые полностью удовлетворяли заказчиков - Научно-производственное объединение автоматики им. Н.А. Се-
михатова (г. Екатеринбург) и Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики (г. Саров), головные предприятия «Роскосмоса» и «Росатома» и обеспечивали плавный переход от стадии опытно-конструкторской работы к производству как микросхем, так и аппаратуры на их основе.
Это стало возможным лишь тогда, когда традиционные взаимоотношения заказчика и исполнителя претерпели принципиальные изменения. По многим «граничным» проблемам обе стороны фактически стали соисполнителями: писались совместные научные публикации, установились доверительные взаимоотношения, осуществлялся постоянный обмен информацией, а также согласование перспективных планов. Это принципиально: подобная «закольцованность» проекта создания новых электронных компонентных баз (разработка, производство, аппаратурное применение) на уровне научно-производственных предприятий разных ведомств - это есть эффективный путь прогресса отечественной электроники. Отметим, что описанная организационно-техническая концепция не есть ноу-хау Научно-производственного предприятия «Сапфир». Она показала свою дееспособность в целом ряде успешных микроэлектронных проектов, в частности особенно ярко в создании СВЧ-ЭКБ для радиолокации совместными усилиями Научно-производственного предприятия «Пульсар» (разработчик электронных компонентных баз) и Лианозовского электромеханического завода (разработчик радиолокационных систем) [4].
На основе сказанного сформулируем общий тезис: становление новой технологии может быть успешным лишь при ориентации на важнейшие оборонные системы, при этом формирование пула реальных потребителей микросхем как основы постановки и развития производства должно рас-
сматриваться в качестве главнейшей составной части проекта [9].
Сторонники этого тезиса, которых становится все больше, частенько дополняют его таким оптимистическим, как им кажется, соображением: технология оборонных систем в конечном счете приведет их к прогрессу в области аппаратостроения для гражданских нужд. Таковы руководители отрасли и публицисты, болеющие за отечественную электронику. В конечном счете все это может и сбудется, но в реальном времени это иллюзия, ведь у гражданки свои законы, здесь из чисто экономических соображений следует ориентироваться на импортную электронную компонентную базу, как это делается, например, в отечественной светотехнике.
Вернемся к технологиям оборонного назначения. Подчеркнем, что только таким путем может быть решена пресловутая проблема импортозамещения. В недавние времена ответственные ведомства, руководствуясь стремлением ускорить создание того или иного нового образца военной техники, принимали решение использовать для этого импортную электронную компонентную базу (другой нет, а прогрессировать хочется), одновременно с этим оговаривая, что это разрешение временное, и предписывая обеспечить разработку отечественного аналога и осуществить импортозамещение. Естественно подобное чисто кабинетное решение, не учитывающее технико-экономических реалий жизни, в большинстве случаев оставалось «бумажным». Исполнялась, причем немедленно, лишь его первая часть (использование импортной электронной компонентной базы), вторая же либо за-мыливалась, либо исполнялась с такой задержкой, что аналог не мог быть использован там, где предполагалось (поезд ушел, особен-
но если изделие подошло к стадии постановки на вооружение).
Кроме всего, сама специфика микроэлектроники сверхбольших интегральных схем такова, что создаются и поставляются не отдельные микросхемы, а комплекты (микропроцессоры, память, интерфейс и др.), подчас с широчайшей номенклатурой микросхем, поэтому смена поставщика или тем более переориентация создателя аппаратуры на нескольких поставщиков оказывается технически и экономически невыгодной, часто неприемлемой.
Разработанный аналог импортной микросхемы не нужен и предприятию производителю - нет потребности. Фактически единственный способ решения проблемы импортозамещения состоит в том, чтобы не создавать этой проблемы.
Развитие КНС-направления у нас идет менее успешно, чем за рубежом. Бытует мнение, что КНС-технология является лишь частным случаем общего направления КНИ («кремний на изоляторе»). Здесь подложка микросхемы - это окисленная пластина кремния с выращенной на окисле тончайшей пленкой «рабочего» кремния. КНС уступает ему по таким важнейшим показателям, как степень интеграции и себестоимость изготовления. Поэтому КНС - это временное решение и серьезно вкладываться в него не следует. По нашему мнению, эта оценка внешне вроде бы верная, но не полная, а потому и не корректна. Принципиальное достоинство КНС-подложки - идеальная изоляция, в том числе и на СВЧ, что в полной мере технологией КНИ вряд ли будет достигнуто, таковы свойства изолирующей пленки диоксида кремния SiO2.
Что касается высокой степени интеграции, то, во-первых, для многих видов микросхем она не является критичной харак-
теристикой, во-вторых, видны пути уменьшения толщины пленки «кремния на сапфире», хотя они и недостаточно интенсивно прорабатываются. А толщина пленки кремния определяет минимальную длину затвора МОП-транзистора, согласно эмпирическому правилу 1т|п > (3-5)Н, где Н - толщина кремниевой пленки в структуре КНС. При используемых сейчас структурах с Н = 0,6 мкм достижимо лишь 1т|п « 2-3 мкм, а переход к Н = 0,3 мкм (что фактически отечественными материаловедами достигнуто) уже обеспечит 1т|п « 1-1,5 мкм. А скачок к структурам с H = 0,1-0,05 мкм, что вполне вероятно4, позволит освоить субмикронную область с 1т|п = 0,5 мкм и в перспективе с 1т1П = 0,25^0,18 мкм (что является высшим достижением отечественной КНИ-технологии) [12].
Себестоимость сапфировых подложек, как ожидается, может сильно уменьшиться в связи с тем, что эти же подложки используются в технологии «белых» све-тодиодов и их сверхмассовое производство рано или поздно дожмет себестоимость подложек до приемлемого уровня. Кроме того, если все же КНС-микросхемы останутся дороже КНИ-аналогов, то и это не страшно при малом объеме потребления.
Таким образом, сравнение КНС с классическим КНИ приводит к заключению, что каждое из этих направлений имеет свою потребительскую нишу, в которой оптимально или одно или другое: для наноразмерных сверхбольших интегральных схем несомненно безальтернативна КНИ-технология [10], в экстремальной электронике микросхем средней степени интеграции предпочтительны КНС - БИС. Подтверждением жизнеспособности КНС на длительную перспективу служит триумфальное восхождение американской фирмы Регедппе на
4 Частное сообщение доктора физико-математических наук В.П. Попова (Институт физики полупроводников СО РАН, г. Новосибирск).
мировом микроэлектронном рынке в период с 2001 года. Группа энтузиастов, создавшая стартап в Сан-Диего (Калифорния), использующая венчурный капитал и не имеющая собственного производства (fabless), раскрутила производство СВЧ-, КНС-микросхем для мобильников на предприятиях Австралии, Японии, Юго-Восточной Азии в объемах до 2-2,5 млн шт. в день! Эти микросхемы, изготавливаемые по субмикронной технологии (Lmin=0,25-0,5 мкм), смогли выдержать конкуренцию со всеми изделиями традиционной микроэлектроники. «КНС -это наиболее успешный вариант КНИ-технологий», - заявил в 2011 году вице-президент фирмы Peregrine при вручении ему престижной премии «IEEE» за вклад в развитие технологии [11].
В заключение обратим внимание читателей на особенную привлекательность КНС-тематики для научных сотрудников высших учебных заведений. Прежде всего заметим, что любые эксперименты с наноразмерными сверхбольшими интегральными схемами практически сопряжены с непреодолимыми техническими трудностями и материальными затратами: они могут проводиться лишь на действующем уникальном и дорогостоящем производственном оборудовании, причем без изменения режимов обработки пластин и используемых расходных материалов. Поэтому вузовским исследователям остается лишь теоретизировать в основном применительно к системе автоматизированного проектирования и моделирования, а также проводить эксперименты на готовых микросхемах, например изучать воздействие радиации.
По тематике КНС дело обстоит иначе. Здесь много нерешенных физических, материаловед-ческих, технологических проблем, которые могут исследоваться в обычных полупроводниковых лабораториях. Это прежде всего ис-
следование гетерограницы «сапфир - кремний» с целью резкого уменьшения ее дефектности и разработки технологии получения тонких и супертонких пленок совершенного монокристаллического кремния, что откроет для КНС-микроэлектроники дорогу в субмикронный и нанометровый диапазоны. Напомним, что получение совершенных гетерограниц в системах на основе GaAs и GaN привело в свое время к созданию гетеролазеров (1968) и суперяр-ких светодиодов (1992).
Перспективными видятся исследования в области КНС-фото-электроники, основанные на прозрачности сапфировой подложки. Возможно, в перспективе будут созданы эффективные фотодиоды и фотодиодные матрицы в ультрафиолетовой области спектра, преобразователи солнечной энергии, сверхминиатюрные оп-троны и оптронные матрицы, новые виды микросхем памяти и в конечном счете высокопроизводительные вычислительные устройства с оптическими связями через подложку, в том числе трехмерные. Несомненно, КНС-фотоприборы могут оказаться удобными для модных ныне «систем в корпусе».
Несомненно, полезной будет разработка аналоговых КНС-микросхем СВЧ-диапазона для нужд радиолокации, здесь можно начать прежде всего с воспроизведения изделий фирмы Peregrine.
Подчеркнем, что многие из этих исследований и разработок под силу малым наукоемким предприятиям (например, стар-тапам), вузовским лабораториям, технопаркам. Особенно если они будут проводиться в содружестве с научно-производственными предприятиями.
Литература
1. Германайн против Графена // Электроника - НТБ. 2013. № 3. С. 46.
2. ГольцоваМ. Конференция IEDM // Электроника: НТБ. 2013. № 1. С. 13.
3. ДеревянкинВ.М., Сенников И.А. КНС-микроэлектроника в Научно-производственном предприятии «Сапфир» // История науки и техники. 2011. № 8. С. 35-52.
4. Евстигнеев А.С. История и перспектива развития в НПП «Пульсар»: разработки и производства СВЧ-модулей... // Материалы XII науч.-техн. конф. «Твердотельная электроника. Сложные функциональные блоки РЭА». М.: Пульсар, 2013. C. 21.
5. Микроэлектроника бортовых вычислительных комплексов. Стратегия успеха / под ред. А.Ю. Сметанова. М.: Логос, 2006. 192 с.
6. Носов Ю.Р., Сметанов А.Ю. Методология историко-технической оценки эффективности инновационных проектов военной ... электроники // Труды XXI Всерос. науч.-техн. конф. «Проблемы эффективности и безопасности функционирования сложных технических и информационных систем». 2010. № 3. C. 172-175.
7. Носов Ю.Р., Сметанов А.Ю. На пути в наноэлектронику // Электроника: НТБ. 2007. № 5. C. 11.
8. Носов Ю.Р., Сметанов А.Ю. Перспективы полупроводникового света // Наука и технология в промышленности. 2010. № 1. С. 46-55.
9. Носов Ю.Р., Сметанов А.Ю. Создание КНС-микросхем для сверхжестких условий применения (историко-тех-ническая экспертиза) // Материалы XII науч.-техн. конф. «Твердотельная электроника. Сложные функциональные блоки РЭА». М.: Пульсар, 2013. С. 292-294.
10. Орликовский А. А., Вьюрков В.В., Руденко В.В. и др. Эволюция МДП-транзисторов. // Электронная техника. Сер. 2. Полупроводниковые приборы. 2013. Вып. 2. С.3.
11. Роналд Риди. Технология кремния на сапфире: успехи и перспективы. Режим доступа: http://www.elcomdesign. ru /market/ interviewt_54html.
12. Шелепин Н.А., Петричко-вич Я.Я. СБИС отечественного производства для космической аппаратуры // Материалы XII Междунар. науч.-техн. конф. «Электронная компонентная база космических систем». Сочи. 18 сентября 2013 г. Режим доступа: www. mntores. inlife.ru.
