Переход от электроники к использованию приборов и компонентов интегральной фотоники

Бенедиктов Александр Сергеевич

Москва 2017

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………………………...		3
1	МЕСТО ИНТЕГРАЛЬНОЙ ФОТОНИКИ СРЕДИ ОБЛАСТЕЙ ЗНАНИЯ	9
2	КАЧЕСТВЕННАЯ ОСНОВА КОМПОНЕТОВ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ФОТОНИКИ ………………………………………………………………….	13
3	ОБЗОР КОМПОНЕНТОВ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ФОТОНИКИ ……………...	17
ВЫВОД …………………………………………………………………………..		19
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ …………………………...		20

Введение

Становление радиотехники, электроники, микро- и наноэлектроники. Закон Мура для интегральных электронных схем и конец эры электроники. Альтернативные решения. Фотоника как наиболее перспективное направление развития вычислительной техники.

Попытки «обуздать» электромагнитные поля и явления электромагнетизма в целях решения различных практических задач посредством создания электронных и радиоэлектронных устройств предпринимались с конца XVIII столетия. Первым таким изобретением принято считать электростатический телеграф Лессажа, созданный в 1774 году, и усовершенствованный испанским изобретателем Франсиско де Сальва в 1798 году. Впоследствии, в 1832 году российским учёным Павлом Львовичем Шиллингом был изобретён электромагнитный телеграф [1] и лишь впоследствии в 1833 году был повторён К. Гауссом и В. Вебером в Германии, в 1837 – Куком и Уитстоном в Великобритании, а запатентован Сэмюэлом Морзе в 1840 году в США [2] (рис. 1).

Рисунок 1. Схема электромеханического телеграфа.

Дальнейшее внедрение телеграфов в различных сферах общественной деятельности позволило значительно ускорить процессы обмена информацией и подстегнуть тем самым экономический рост в конце XIX века. Дальнейшая эволюция электронных устройств связана с именем русского морского офицера Александра Степановича Попова, который в 1895 году продемонстрировал работу первого радио - «грозоотметчика», или, в соответствии с принятой в те времена терминологией, «беспроволочного телеграфа» [3]. Очевидные преимущества беспроводного метода передачи информации посредством радиоволн способствовали ещё более (в сравнении с проводными телеграфами) стремительному повсеместному внедрению, а это в свою очередь стимулировало развитие радиоэлектроники. Постепенно решались задачи оптимизации передачи информации, миниатюризации приёмо-передающих устройств, шумоподавления, корректной обработки сигналов и повышения надёжности в целом.

Очередным важным этапом в развитии радиоэлектроники стало создание сначала электровакуумного диода в 1883 году Томасом Эдисоном, а затем и электровакуумного триода в 1906 году Ли Форестом [4]. В основу работы данных приборов были положены явления электронной эмиссии, а их вольт-амперные характеристики описаны законами степени трёх вторых, Ричардсона-Дешмана, уравнением Шокли [4]. В практическом отношении с началом внедрения электровакуумных приборов удалось значительно повысить надёжность и расширить функциональные возможности электронных устройств, причём, расширение функционала достигалось за счёт возможности управлять потоком электронов с помощью промежуточных сеток с приложенным потенциалом в пространстве между анодом и катодом и обеспечения тем самым ступенчатого вида вольт-амперных характеристик (рис. 2).

Рисунок 2. Вольт-амперная характеристика электровакуумного диода.

Впоследствии, теория работы электровакуумных приборов и, в частности, ступенчатые вольт-амперные характеристики стали фундаментальными для компонентов и приборов полупроводниковой электроники [5]. Данный класс электронных приборов стал следующей после вакуумных электроприборов эволюционной ступенью в процессе развития электроники, и ознаменовался изобретением в 1947 году биполярного транзистора У. Браттейном и Д. Бардиным [6] и полевого транзистора в 1948 году Д. Бардиным и У. Шокли [5]. Создание твердотельного аналога вакуумного триода позволило добиться ещё большей надёжности проектируемых электроприборов, расширив тем самым окно возможностей для их применения. Полупроводниковую электронику сразу же стали внедрять на сверхзвуковые самолёты, первые космические и межконтинентальные ракеты, искусственные спутники Земли и в другие области применения, где по тем или иным причинам корпуса вакуумных ламп не могли выдержать агрессивных воздействий окружающих сред: вибраций, высоких температур и перепадов давлений. Именно благодаря изобретению полупроводниковых транзисторов внедрение электроники в сферы общественной жизни становится по-настоящему массовым.

После изобретения полупроводниковых транзисторов прогресс в электронике пошёл по пути миниатюризации электроприборов, а также по пути поиска оптимального материала для их изготовления. Как известно, первые транзисторы были изготовлены на основе германия, однако уже с середины 1950х годов кремний [6], обладающий в сравнении с германием большей шириной запрещённой зоны, стал основным материалом в полупроводниковой электронике.

В части миниатюризации полупроводниковой электроники, в свою очередь, важнейшим изобретением, равным по значимости, пожалуй, изобретению лазера, является создание в 1960 году фирмой Fairchild Semiconductor первой работоспособной полупроводниковой интегральной схемы [7], которая фактически представляла собой несколько транзисторов, выполненных на едином основании. Данное изобретение открыло в электронике эру интегральных схем, которая продолжается до сих пор. Важными достижениями этой эры следует считать как повышение надёжности электроники и уменьшение физических размеров приборов, так и многократный рост производительности одновременно с увеличением функциональных возможностей. Так, если на заре становления полупроводниковых интегральных схем характерный размер транзистора составлял примерно 10 мкм, а транзисторов в такой схеме было не более сотни, то к 2015 году ведущими производителями уже осваивается технология с характерным размером транзистора 10 нм, а плотность транзисторов достигла значения нескольких миллиардов единиц на одну интегральную схему. Данные показатели позволяют использовать полупроводниковую интегральную электронику повсеместно и для широчайшего круга задач, начиная с простейшего выключателя освещения в комнате и заканчивая сверхсложной многопроцессорной системой для обработки результатов столкновений частиц в Большом Адронном Коллайдере.

При этом следует учесть и тот факт, что электроника, последовательно примеряющая на себя по мере уменьшения характерных размеров электронных компонентов приставки микро- и нано-, показывает наибольшие среди всех отраслей промышленности темпы роста характеристик выпускаемых изделий. Существует показательное сравнение, приведённое в журнале «В мире науки» (русское издание «Scientific American») от 1983 года, № 08, в котором утверждается, что «… если бы авиапромышленность в последние 25 лет развивалась столь же стремительно, как промышленность средств вычислительной техники, то сейчас самолёт Boeing 767 стоил бы 500 долл. и совершал облёт земного шара за 20 минут, затрачивая при этом пять галлонов (~18,9 л) топлива…».

Чтобы получить количественное представление о явлении больших темпов роста показателей интегральной полупроводниковой электроники, в 1965 году Гордон Мур, один из основателей Intel [8], на основе анализа хронологии появления новых моделей процессоров вывел закономерность, согласно которой производительность интегральных схем а равно и количество транзисторов в интегральной схеме увеличивается вдвое каждые 24 месяца [9]. Это утверждение получило название «Закона Мура» и оставалось справедливым вплоть в течение сорока последующих с момента открытия лет. Однако с каждой новой разработкой инженеры постепенно приближались к физическим пределам масштабируемости электронных интегральных схем, к которым относятся принцип Ландауэра [10] (нижняя граница минимального значения теплоты, выделяемого интегральной схемой при потере одного бита информации), минимальное значение длины канала МОП-транзистора ≈ 1,5 нм (по мере приближения к которому всё большую роль играют квантовые эффекты, а при меньших длинах невозможно локализовать электрон в той или иной функциональной области транзистора), минимальная длина свободного пробега носителей заряда в кремнии (ограничивает масштабирование МОП-транзисторов на уровне 5 нм). На рисунке 3 показана хронология появления новых процессоров вплоть до 2011 года. Как можно видеть, количество транзисторов росло согласно закону Мура в течение всего рассматриваемого периода, однако начиная с 2005 года, производительность процессоров увеличивается не за счёт уменьшения МОП-транзисторов, а путём разбиения процессора на логические ядра. При этом каждое новое уменьшение физических размеров МОП-транзисторов, а равно и переход к новой технологии требует больше времени на проведение сопутствующих исследований, направленных на разработку технологий. Так, освоение фирмой Intel транзисторов с длиной канала 22 нм ознаменовалось внедрением технологии FinFET, при которой канал транзистора представляет собой трёхмерную структуру, а затвор окружает пространство между стоком и истоком с трёх сторон (рис. 4) [11].

Однако, наряду с работами в направлении усовершенствования МОП-транзисторов и в целом электроники на основе кремниевых структур, предпринимается ряд более радикальных попыток «продлить жизнь» закону Мура, среди которых:

• использование гетероструктур, таких как InP, GaAs, AlGaAs и др. вместо кремниевых структур позволяет увеличить частоту электронных компонентов, однако технологические процессы до сих пор не обеспечивают выхода годной продукции и стоимости, сопоставимых с кремниевыми изделиями [12];

• использование структур на основе спинтроники и явлениях переноса спин-поляризованных состояний, основными электронными компонентами которой являются спиновый элемент памяти и джозефсоновский переход, с помощью которых можно создавать интегральные схемы с тепловыделением 10^-17 Дж на вентиль [13];

Рисунок 3. Хронология появления новых процессоров с 1971 по 2011 годы

Рисунок 4. Структурная схема FinFET

• и наконец, переход от использования электрона в качестве основной частицы в приборах вычислительной техники к смешанным фотонно-электронным и полностью фотонным решениям, к которым можно отнести фотонные интегральные схемы.

Используя фотон в качестве основной частицы для приборов фотоники, возможно получить интегральные схемы с быстродействием на несколько порядков больше, чем у современных электронных интегральных схем и процессоров [13]. В частности, в полностью оптических устройствах управление сигналом может осуществляться за время 10 фс, скорость передачи информации может достигать 1 Тбит/с, а энергия управляющего сигнала – 1 .. 5 фДж [14]. При этом элементы интегральной фотоники могут быть освоены в производстве на основе уже известных и отработанных технологий интегральной электроники как на основе кремния, так и на основе гетероструктур, а в случае гибридных электронно-фотонных схем долю фотонных интегральных компонентов можно наращивать по мере освоения технологий их создания.

Вследствие оптимального сочетания преимуществ, показанных выше, фотонно-электронные и фотонные интегральные схемы являются наиболее перспективными в качестве альтернативы интегральной электронике. Как следствие, работы в области интегральной фотоники актуальны [15] для российской науки и экономики.

Вследствие вышеперечисленного в данной работе предполагается рассмотреть основные этапы развития интегральной фотоники и фотоэлектронных структур, отследить их эволюцию.