Kiek ilgai progresuos puslaidininkių technologija? Kas bus po jos? Į šiuos klausimus laikraščio "Ny Teknik" korespondentui atsako profesorius Olofas Engstromas, vadovaujantis Gioteborge (Švedija) esančio Chalmerso universiteto mikroelektronikos centrui MC2.

   Daug kas tiki, jog po 10-15 metų priartėsime prie ribos, nuo kurios tolesnė puslaidininkių technologijos pažanga sustos. Bet yra mokslininkų, manančių, kad tuomet bus galima įveikti atsirasiančius barjerus. Vienas didžiausių optimistų yra japonų profesorius Iwai, nubrėžęs technologijos pažangos "maršrutą", nusitęsiantį iki pat 2060 metų.

Ar tai realu? Klausiame Olofo Engstromo.

   Jis yra didelis optimistas. Kalbant apie MOSFET technologiją, mes jau esame visai netoli fundamentalios jos galimybių ribos. Atminties technologijų atveju šiandien užtūros ilgiai siekia apie 0,13-0,15 µm ir, ekstrapoliavus Moore dėsnį, 2012 metais būsime netoli 0,05 µm. Bet daugelis kompanijų pabandys tokius darinių matmenis pasiekti dar anksčiau.

   Aišku, tranzistorius su tokiomis trumpomis užtūromis galima pagaminti ir šiandien, bet čia kalbama ne apie pavienius tranzistorius. Iwai pademonstravo 0,05 µm tranzistorių jau prieš keletą metų. Jam pavyko pasiekti, kad jis veiktų. Bet ir tada jis tikriausiai turėjo kiek suklastoti kitus parametrus. Kol kas dar nekalbama apie ištisų integrinių grandynų realizavimą.

   Kai užtūros ilgis pasieks apie 40-50 nm, reikės, kad po užtūra esančio oksido storis būtų nuo 2 iki 3 nm. Turint tokius plonus sluoksnius atsiranda tuneliavimo per užtūros oksidą problema.

   Bet tai tik viena iš problemų. Keičiantis prietaisų kartoms kaskart susiduriame su keliomis standartinėmis problemomis. Bendrai paėmus, visada iškyla įvairūs trumpų kanalų efektai. Norint jų išvengti, būtina yra labai tiksliai pasirinkti tinkamą ištakos ir santakos geometriją bei santakos srities difuzijos profilį. Visas dimensijų mažinimo problemas reikia išsiaiškinti iš anksto, kitaip neišvengsime trumpo sujungimo tarp ištakos ir santakos. Erdvinio krūvio sluoksnis neturi priartėti prie santakos, kitaip jis "pradurs" kanalą. Siekiant to išvengti, tenka vis daugiau ir daugiau legiruoti tą sritį. Bet, didinant legiravimo lygį, taip pat reikia didinti talpuminį ryšį tarp užtūros ir kanalo srities. Iki šiol su tuo pavykdavo susidoroti mažinant užtūros oksido storį, bet dabar oksidai tapo labai ploni ir tai savaime sukelia papildomų problemų.

   Mokslininkai dabar ieško kitos medžiagos, kurios didesnė dielektrinė skverbtis leistų pagerinti šį ryšį. Dvi tokios medžiagos yra neįprasti oksidai - cirkonio ir hafnio oksidas.

   Esant dielektrinei skverbčiai didesnei, galima naudoti storesnius sluoksnius, bet būtina sukurti gerą interfeisą tarp silicio ir dielektriko. Be to, dielektrikas privalo būti atsparus pramušimui. Viena iš didžiausių šiandienos problemų yra gero interfeiso, kuriame nėra elektronų gaudyklių, gavimas. Pastarosios, be kita ko, sąlygoja tranzistoriaus parametrų kitimą per laiką. Be to, prastas interfeisas labai sumažina elektronų judrumą, dėl ko sumažėja ir santakos srovė.

Ar šios problemos yra neįveikiamos?

   Manau, kad mums pavyks šias problemas išspręsti. Panašios kliūtys iki šiol būdavo vienaip ar kitaip įveikiamos. Pavyzdžiui, 1980 m. visi buvo labai dideli pesimistai dėl alfa dalelių poveikio. Jau tada atminties ląstelės buvo tokios mažos, kad pavienės alfa dalelės galėdavo pakeisti ląstelėse saugomą turinį. Problema buvo išspręsta pakeitus korpusavimo technologiją ir sukūrus korpusus, saugančius lustą nuo alfa dalelių.

Kas vyksta fotonikos srityje?

   Čia yra nemažai vystymosi galimybių. Labai įdomios perspektyvos laukia vertikalaus rezonatoriaus lazerių, vadinamųjų VCSEL. Matyt, jie bus toliau vystomi panaudojant kvantinius taškus, leisiančius sumažinti slenkstines sroves ir padidinti šviesos intensyvumą. Greitu laiku kvantinių taškų lazeriai turėtų atsirasti rinkoje, bet iki tol dar teks atlikti nemažai InAs kvantinių taškų, įterptų GaAs, tyrimų.

   Kvantiniai taškai įdomūs ne tik fotonikai. Yra minčių, kaip sukurti savaime besiorganizuojančias jų matricas. Tokiose matricose elektronas turėtų keliauti nuo taško prie taško ir atlikti ląstelės automato funkcijas. Jos taip pat galėtų būti naudojamos atminties elementuose. Bet iki to dar teks nueiti ilgą kelią, todėl kvantinių taškų lazeriai tikrai pasirodys anksčiau.

Kvantiniai taškai ir kvantinės duobės - kaip toli čia yra nueita?

   Kvantinė duobė yra dvimatis darinys. Paprastai yra sakoma "kvantinė duobė", bet korektiškiau versti į "kvantinį griovį". Jose naudojami HEMT dariniai, o pirmosios duobės pasirodė dar devintajame dešimtmetyje. Kvantinės duobės jau senokai naudojamos lazeriuose.

   Kvantinis taškas yra kvantinės duobės dimensinis nulis. Žiūrint energetiškai, būtent čia yra tikroji duobė. Yra keletas kvantinių taškų variantų; kai kuriuos jų tiriame ir MC2. Čia dar yra daug įdomių fizikinių problemų. Pavyzdžiui, du kvantinius taškus patalpinus netoli vienas kito, gaunama kažkas panašaus į molekulę. Taigi, galima kalbėti apie dirbtines molekules.

Jeigu pratęstume tokias spekuliacijas, ką dar galėtume padaryti atomų lygmeniu?

   Nuo to momento, kai vaikinai iš IBM naudodami STM sugebėjo manipuliuoti pavieniais atomais, praėjo nemažai laiko. Jeigu pažiūrėsime į silicio paviršių, pamatysime, kad atomai yra labai tvarkingai išsidėstę. Kai kurie jų sudaro keteras, kiti - slėnius. Aukščiau pakilusioje eilutėje yra dvi padėtys: atomas gali pakilti aukštyn arba nusileisti žemyn. Logiška būtų tas dvi būsenas panaudoti atminties elementuose. Bet praktiškai dar nežinome, kaip tas būsenas priversti keistis pakankamai greitai.

Daug kalbama apie naujas medžiagas - puslaidininkius su dideliu draustinių energijų tarpu. Ką jūs manote apie jas?

   Labai didelį komercinį potencialą turi galio nitridas (GaN). Ypač įdomus yra indžio ir galio nitridas (InGaN), iš kurio galima padaryti labai ryškiai žalius ir mėlynus šviesos diodus. Tokie jie jau yra naudojami šviesoforuose. Įdomiausia tai, kad šiuose šviesos dioduose būna kvantinių taškų, atsirandančių dėl mechaninio įtempimo riboje tarp dviejų medžiagų su skirtingomis gardelės konstantomis.

   Šių medžiagų tyrimams dabar yra daug investuojama. Taip yra dėl to, kad tikimasi mėlynuosius lazerius panaudoti CD grotuvuose. Mėlyni lazeriai leis padidinti įrašytos informacijos kiekį. Be to, mėlynus ir žalius šviesos diodus galima panaudoti baltai šviečiantiems diodams sukurti. Dalis kaitinimo lempų gamintojų stengiasi pakeisti jas šviesos diodais. Dabar yra siekiama pagaminti baltus šviesos diodus, veikiančius esant 4,5-5 V įtampai ir tarnaujančius apie 100 metų.

Ko galima tikėtis iš SOI - silicio ant izoliatoriaus technologijos?

   Naudojant ją galbūt pavyks bent vienai kartai pratęsti standartinės MOS technologijos amžių. Pirmosios SOI technologijos pasirodė dar devintajame dešimtmetyje. Tada pavyko sukristalizuoti silicį silicio dioksido paviršiuje. SOI pirmtakas - silicis ant safyro (SOS) atsirado aštuntajame dešimtmetyje. Iš jo buvo gaminami atsparūs radiacijai prietaisai. Panašiomis savybėmis pasižymi ir SOI.

   Gaminant SOI plokšteles paprastai yra naudojama vadinamoji BOX technologija. Deguonis yra tiesiog įšaunamas į silicį. Šitaip po silicio paviršiumi susidaro truputis silicio dioksido. Tiesa, ir silicis, ir silicio dioksidas yra ne pačios aukščiausios kokybės, bet iki šiol parduodama nemažai plokštelių, pagamintų BOX metodu.

   Kitu metodu yra panaudojamas terminis surišimas - suliečiamos oksiduota ir neoksiduota silicio plokštelės. Jos pakaitintos iki 1000 laipsnių sulimpa. Po to plokštelės suploninamos iki 1000 Å. Pradžioje plokštelės būdavo poliruojamos, tačiau visa tai sukeldavo nemažai problemų, ypač kai jų skersmuo siekdavo 6 ar 8 colius.

   Viena prancūzų kompanija sugalvojo naują metodą - per didelį paviršiaus plotą implantuoti vandenilį. Dėl to atsiranda įtampos, kurios suskaldo plokštelę lygiagrečiai jos paviršiui. Tokį procesą galima sėkmingai taikyti net ir 8 colių plokštelėms. Mokslininkai, sugalvoję šį būdą, šiandien jau yra milijonieriai. Į kompaniją, kurioje šiandien dirba šimtai darbuotojų, daug investavo ir Prancūzijos vyriausybė. Ta kompanija, įsikūrusi Grenoblyje, vadinasi SOItech.

Kas bus tuomet, kai silicio technologija pasieks savo galimybes? Ar yra kokia nors jos alternatyva?

   Yra dvi pagrindinės kryptys. Viena jų - tai molekulinė elektronika, panaudojant didelių molekulių savybes. Kita kryptis - taikant gyvąją materiją, pavyzdžiui, gyvąsias ląsteles. Bet ši technologija pasieks deramą lygį daug vėliau, nors dar neaišku, ar kas nors išvis išeis.

   Molekulinė elektronika grindžiama kvantiniais reiškiniais. Jos pavyzdžiu gali būti anglies vamzdeliai. Anglis pasižymi fantastiška savybe; jos atomai gali jungtis daugybe įvairiausių būdų. Anglis yra randama keliais skirtingais variantais: tai deimantas (tetraedrinis darinys), grafitas (heksagoninis), C60 molekulės (rutuliai) arba vamzdeliai. Vamzdelių atomai sudaro heksagoninius žiedus, kurie sukibę vienas su kitu į kažkokį panašų bičių korį. Gali keistis ir atomų konfigūracija, ir vamzdelių skersmuo. Priklausomai nuo jų dydžio vamzdelis gali būti izoliatoriumi, laidininku ar puslaidininkiu. Jeigu turime puslaidininkinius vamzdelius, juos galima legiruoti ir keisti laidumo tipą nuo n į p. Svajojama iš jų pagaminti didesnius grandynus.

   Vamzdelio skersmuo būna nuo 2 iki 5 nanometrų. Galima įsivaizduoti vamzdelį, padėtą ant dviejų metalinių kontaktų, prie kurių vėliau prijungiama elektros įtampa. Tokį eksperimentą neseniai atliko IBM. Jiems taip pat pavyko sukurti p ir n tipo sritis. Šitaip galima iš anglies nanovamzdelių pagaminti tranzistorių, bet dar ne integrinį grandyną.

Ką laimėsime iš nanovamzdelių technologijos?

   Įdomu yra tai, kad ribotų matmenų dariniuose elektronų sklaidos tikimybė yra mažesnė, todėl jie juda sparčiau. Jeigu anglies nanovamzdelio matmenys bus pakankamai maži, gausime dar greitesnius darinius. Galima pasakyti, kad juose elektronai judės balistiškai, tai yra visai netrukdomi. Bet vamzdelis privalo būti labai mažas. Balistinė pernaša leidžia pasiekti milžinišką srovės tankį - 10⁹ A/cm² (signalai bus labai silpni ir juos teks stiprinti).

   Manau, kad iš anglies nanovamzdelių kas nors tikrai išeis. Ši technologija natūraliai pratęsia ir papildo silicio mikroelektroniką. Gali būti, kad pirmiausia vamzdeliai bus naudojami atmintinėse.

   Juos galima panaudoti ir kitokiems pritaikymams. Anglies nanovamzdeliuose elektronų išlaisvinimo darbas yra labai mažas. Labai silpnas elektrinis laukas sugeba nuo vamzdelio galo atplėšti elektronus. Tai galima panaudoti elektronų emiteriuose, skirtuose naujo tipo šviesą spinduliuojantiems dariniams. Viena japonų firma jau pradėjo gaminti displėjus, kurių elektronų emiteriai pagaminti iš anglies nanovamzdelių. Jie primena tradicinius kineskopus, bet yra visai plokšti.

Daug kalbama apie bioelektroniką. Kiek toli čia yra pažengęs mokslas?

   Dar vienas klausimas: ką išvis galima padaryti bioelektronikoje. Ši sritis dar tik gimsta ir viskas priklauso nuo to, kaip mes apibrėšime bioelektroniką. Viename apibrėžime sakoma, kad tai yra įprastinių mikrotechnologijos metodų panaudojimas valdant gyvųjų ląstelių savybes ar jomis manipuliuojant. Visa tai, pavyzdžiui, galima panaudoti kuriant kelių rūšių vaistus. Paprastai yra padaroma matrica, į kurios skirtingus narvelius sudėliojamos skirtingos ląstelės. Po to kiti narveliai užpildomi įvairiomis medžiagomis ir žiūrima jų reakcija.

   Kūne būna ribotas skaičius ląstelių. Jeigu jas visas sudėsime į tokią matricą, galėsime nustatyti konkretaus žmogaus reakciją į tam tikrus medikamentus.

   Kita galimybė atsiras, jei pavyks ląsteles panaudoti kuriant logiką. Bet tai - vis dar fantastikos sritis.

Ar kada nors pavyks sukurti smegenis?

   Kompiuteryje galima modeliuoti neuroninius tinklus. Norint pagaminti tikrą, tai yra gyvą, neuroninį tinklą, reikia kvarco ar silicio oksido plokštelėje sukurti jo raštą ir leisti paviršiuje augti nervų ląstelėms. Augdamos jos atkartoja tą raštą. Šitokiu būdu galima pagaminti dvimačius smegenis. Apie neuronų veikos detales yra žinoma labai nedaug. Kaip yra pernešami krūviai? Čia daug dar reikės sužinoti. Nėra galutinai aiškios ir pačių ląstelių funkcijos. Pasaulyje yra daug grupių, tiriančių, kaip neuronas susijungia su tinklu. Silicyje to atkartoti negalima, kadangi smegenys veikia tik būdamos skystyje.

   Tame skystyje turi būti kalio, natrio arba kalcio, nes krūvis yra pernešamas šių jonų. Išilgai ląstelių sienelių atsiranda jonų pernešimo takai. Membranose yra vadinamieji jonų kanalai, kurie selektyviai, veikiami tam tikrų stimulų, pavyzdžiui, elektrinio potencialo "atsidaryti" arba "užsidaryti". Susidaręs elektrinis potencialas atveria jonų kanalą. Vieni kanalai praleidžia tiktai kalį, o kiti - kalcį. Dviem ląstelėms susijungus atsiranda interfeisas tarp dviejų membranų. Visi šie procesai nėra iki galo aiškūs.

   Kad su tokiomis struktūromis galėtų komunikuoti lustas, reikia neuroninį tinklą patalpinti panašios sudėties tirpale. MOS grandynai ir silicis neperneša natrio. Pradžioje teks kaip nors išspręsti natrio jonų, galinčių sukelti parazitinius signalus užtūrose, klausimą.

   Žmogaus smegenyse yra 10¹¹ ląstelių. Kiekviena jų yra sujungta su tūkstančiais kitų ląstelių. Smegenys yra labai sudėtingi. Jeigu pavyktų sukurti panašias funkcijas atliekantį tinklą, jis jau galėtų pats apsimokyti.

   Kol kas, ką bus galima pasiekti, neįmanoma apie tai nieko pasakyti. Džordžijos technologiniame institute yra bandoma sukurti tarp lustų ir ląstelių ryšį. Problema čia ta, kad reikia ląstelių darinį atskirti nuo lusto. Tam yra naudojami nedideli metaliniai iš lusto išsikišę strypeliai, kurių vienoje pusėje yra ląstelės, o kitoje - elektriniai grandynai.

Vienoje prieš metus skaitytoje paskaitoje jūs nurodėte kaip vieną galimų tolesnio vystymosi kelių bakterijas Coli. Kodėl būtent Coli ir kur jas galima panaudoti?

   Labai įdomios Coli bakterijos yra vienaląstės ir turi uodegą. Adenosintrifosfato ATP tirpale tos bakterijos juda srities link, kur ATM tankis didėja. ATP patekus į ląsteles, jos cheminė energija virsta uodegos mechanine energija. Įdomiausia yra tai, jog susitikus dviem skirtingoms DNR populiacijai priklausiančioms bakterijoms, išauga vamzdelis, per kurį jos apsikeičia savosiomis DNR molekulėmis. Tuo net sunku patikėti.

   Coli bakterijos ląstelių sienelės yra dvigubos. Molekulė primena dvi turbinas, kurių ašių tęsinyje yra Coli bakterijos uodega. Į jas patekus protonui, pavyzdžiui, iš ATP, bakterijos ima suktis. Bet tas sukimasis perstoja, kai į jas pakliūva medžiagos, kurios bakterijos nemėgsta, pavyzdžiui, nuodų.

   Techniniu požiūriu yra svarbu tai, jog šias molekules pavyko izoliuoti. Dabar svajojama jas panaudoti kaip kokį nors nanomotorą. Mokslininkams jau pavyko išmatuoti molekulių sukimosi momentą. Tokį rotorių sudaro apie 10 000 atomų. Molekulė sudaryta daugiausia iš anglies ir vandenilio.