Нанокомпозиты из полупроводниковых соединений

1. Нанокомпозиты из полупроводниковых соединений

2.

3

3. Лазерный диод

4. Конструкции лазерных диодов

а) встроенный полосок (заращенный
канал в подложке)
б) мезаструктура, заращенная слоем
изолирующего материала.
в) мезаструктура

5. Конструкция и распределение излучения разрабатываемой структуры

W = 3.0 мкм
р++- GaP
p - AlGaInAsP
∆n
∆n
ZnSe
ZnSe
Θ10.5=280
Θ110.5=110
∆H=0.15мкм

6. Лазерный диод

7. Распределение основной поперечной моды излучения опытных образцов гетероструктур

Мощность излучения 10
мВт
Мощность излучения 30
мВт

8. Мосгидридная эпитаксия

9. Расположение подложек

Распределение потока в реакторе
Y
Поток
Х
Подложка
O
Реактор
Расположение подложек
Р=10Е-1 Па
3
1
2
1 - вращающийся диск с подложками,
2 – пьедестал,
3 – температурный датчик

10.

Программируемый логический контроллер
Цифровые
Цифровые
Выходы
Входы
Выходы Входы
Охранная система с индикацией
Задание
Ответ
Тревога
Приборы да/ нет (клапаны )
Очистка
Азота
(осушка)
Цифровые задания / ответы
Аналоговые сигналы
Аналоговые приборы – регуляторы: расхода
газа, давления, температуры
Схема смешения газовых потоков
Очистка
Водорода
РРГ1
(палладиевый
фильтр)
РРГ2
РД
РРГ3
TMA
РРГ4
Р
Р
Г
TMG
Т
PH3
Баллоны с гидридными газами
Шлюз
загрузчик
Бокс
с
азотом
P
Турбо
насос
термостат
AsH3
Реактор
TMIn
РРГ5
SiH4
Реакторная
магистраль
dP=0
Фильтр
тв частиц
Байпасная
магистраль
Фор насос
Скрубер для
хим очистки
выхлопа
Фор
насос
Генератор
нагрева
В атмосферу

11.

РАСЧЕТ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ ПОЛЕЙ В ПОДЛОЖКЕ
РЕАКТОРА ДЛЯ MOCVD
Эпитаксиальные структуры
для разнообразных
полупроводниковых
приборов
(лазерные диоды,
фотоприемники,
солнечные элементы)

12.

3

13. Результаты экспериментальных исследований напряжений в квантоворазмерной структуре AlInGaAs*

Результаты экспериментальных исследований напряжений
в квантоворазмерной структуре AlInGaAs
*
ПЭМ-фотография участка
структуры, содержащей
наминально 3 ML
Спектр фотолюминесценции при Т=77К структуры с
нанокластерами In|P при плотности мощности накачки 100
Вт/см2 (а) и 5 кВт/см2 (b). Номинальная толщина осажденного InP
3ML
Спектр фотолюминесценции при т=77К структуры с
нанокластерами InAs при номинальной толщине осажденного
слоя InAs 4ML (a) и 2,5ML (b). Плотность мощности накачки 5
кВТ/см2.
Данные работы Д.А. Винокуров, В.А. Капитонов, О.В. Коваленко, Д.А. Лившиц, З.Н. Соколова, И.С. Тарасов, Ж.И. Алферов, Самоорганизующиеся наноразмерные кластеры InP в
матрице InGa/PGaAs и InAs в матрице InGaAs/InP

14.

15. Физические основы эпитаксиального роста

16. FinFET (Field-Effect Transistor

• это тип транзистора, используемый в
современных технологиях микроэлектроники для
создания сверхмалых интегральных схем. Он
представляет собой усовершенствованную
версию MOSFET (полевого транзистора с
металлооксидным слоем), которая решает
проблемы масштабирования классических
плоских MOSFET'ов при переходе к
нанометровым размерам

17. Принцип действия FinFET

• Основная цель использования FinFET
заключается в снижении эффекта "утечки" тока
через канал, что становится особенно важным
при уменьшении размеров транзисторов. В
классическом MOSFET'e, когда размеры
становятся слишком маленькими, возникают
различные эффекты, такие как
**короткозамкнутый канал** и **утечка тока в
режиме отключения**, что делает устройство
менее эффективным

18. конструкция

• В FinFET конструкции канал устройства имеет
форму «финны» или «гребней», которые
выступают над поверхностью подложки. Это
позволяет шлюзу (gate) охватывать три стороны
канала (в некоторых случаях даже четыре, если
используется полностью окружной шлюз).
Благодаря этому достигается лучший контроль
над электрическим полем в канале, что
значительно уменьшает утечки тока и повышает
эффективность работы транзистора.

19. Конструкция FinFET

**Финна (Fin)**: Канал транзистора выполнен в виде высокой тонкой
пластины (финны), которая выходит из поверхности подложки. Финна
обычно изготовлена из кремния или его соединений (например, SiGe).
2. **Шлюз (Gate)**: Шлюз FinFET охватывает три или четыре стороны
канала (в зависимости от дизайна), что обеспечивает гораздо лучший
контроль над электрическим полем в канале по сравнению с плоским
MOSFET'ом, где шлюз покрывает только верхнюю часть канала.
3. **Исток (Source)** и **Сток (Drain)**: Эти области расположены по
обеим сторонам канала и служат для ввода и вывода электрического тока.
4. **Подложка (Substrate)**: Подложка является основанием для всей
структуры. Она может быть выполнена из кремния или других материалов,
совместимых с процессами производства.

20.

21. Этапы работы FinFET

Отключение**: Когда напряжение на
шлюзе ниже порогового значения, канал
между истоком и стоком остается
закрытым, и ток не течет.
2. **Включение**: При достаточном
напряжении на шлюзе создается
инверсионный слой вдоль канала, который
соединяет исток и сток, позволяя току
протекать.
**

22. Преимущества FinFET

1. **Улучшенное управление каналом**: Благодаря
трёхмерной структуре и многостороннему охвату канала
шлюзом, FinFET обеспечивает лучший контроль над
электрическим полем, что минимизирует эффект
короткозамкнутого канала.
2. **Снижение утечек тока**: FinFET эффективно
уменьшает утечки тока в режиме отключения, что важно для
энергоэффективности микросхем.
3. **Высокая производительность**: Увеличение площади
контакта между шлюзом и каналом приводит к увеличению
проводимости канала, что повышает скорость работы
транзистора.
4. **Масштабируемость**: FinFET хорошо адаптируется к
дальнейшему уменьшению размеров, что позволяет
продолжать следовать закону Мура.

23. Недостатки FinFET

. **Сложность производства**: Изготовление FinFET
требует более сложных технологических процессов, что
увеличивает стоимость производства.
2. **Ограниченная геометрия**: Из-за специфической
формы канала существует ограничение на то, как можно
размещать транзисторы на кристалле, что может усложнять
дизайн микросхем.
3. **Повышенные затраты на разработку**:
Проектирование и тестирование FinFET-схем требуют
больших инвестиций

24.

Что такое фотонные
транзисторы?
Фотонные транзисторы — это устройства, которые
обрабатывают информацию с помощью фотонов
(частиц света) вместо или вместе с электронами. В
отличие от традиционных электронных транзисторов,
которые работают с электрическими зарядами,
фотонные транзисторы передают данные через
световые сигналы, что может обеспечить более высокую
скорость передачи данных и меньшее
энергопотребление

25.

26. Конструкция кремниевых фотонных транзисторов

1. **Кремниевые волноводы**: Это полосы кремния, по которым
передаются световые сигналы. Они играют роль "проводников" для
фотонов.
2. **Модуляторы**: Модуляторы изменяют интенсивность или фазу
светового сигнала в зависимости от входного электрического сигнала.
Это позволяет преобразовывать электрические сигналы в световые.
3. **Фотодетекторы**: Фотодетекторы преобразуют световые сигналы
обратно в электрические сигналы для дальнейшей обработки.
4. **Гибридные источники света**: Поскольку кремний плохо
излучает свет, часто используются гибридные структуры, где
кремниевые компоненты соединяются с материалами, такими как GaAs
или InP, для создания лазеров или светодиодов.
5. **Резонаторы**: Оптические резонаторы могут усиливать или
фильтровать световые сигналы, что повышает эффективность работы
устройства.

27. Почему кремниевое исполнение важно?

Кремний является одним из самых распространённых материалов в
современной микроэлектронике благодаря своим уникальным
свойствам:
1. **Доступность и дешевизна**: Кремниевые технологии хорошо
разработаны и широко применяются в производстве микросхем.
2. **Совместимость с CMOS-технологиями**: Кремниевые фотонные
устройства могут быть интегрированы в существующие CMOSпроцессы, что снижает стоимость и сложность производства.
3. **Прозрачность для инфракрасного света**: Кремний прозрачен
для длин волн около 1.1–1.6 мкм, что делает его идеальным
материалом для работы с оптическими сигналами в ближней
инфракрасной области спектра.
Однако кремний имеет свои ограничения, например, он

28.

Однако кремний имеет свои ограничения,
например, он не является эффективным
источником света (не эмиссионный материал),
поэтому для создания лазеров и светодиодов
часто используются материалы на основе
арсенида галлия (GaAs) или фосфида индия
(InP). Тем не менее, исследования показывают,
что можно создавать гибридные структуры, где
кремниевые элементы работают совместно с
другими материалами

29. Преимущества кремниевых фотонных транзисторов

. **Высокая скорость передачи данных**: Световые сигналы могут
передавать информацию намного быстрее, чем электрические
сигналы, что особенно важно для высокоскоростных коммуникаций
и обработки больших объемов данных.
2. **Низкое энергопотребление**: Передача данных с помощью
фотонов требует меньше энергии, чем передача электрических
сигналов, особенно на большие расстояния.
3. **Меньшее тепловыделение**: Фотонные устройства не создают
такого же уровня тепла, как электронные, что позволяет использовать
их в высокоплотных системах без необходимости сложных систем
охлаждения.
4. **Интеграция с существующими технологиями**: Кремниевые
фотонные транзисторы могут быть легко интегрированы в
современные CMOS-процессы, что снижает затраты на производство.

30. Проблемы и вызовы

1. **Эмиссия света**: Как уже упоминалось, кремний не является
эффективным эмиссионным материалом, поэтому для создания
источников света часто требуется использование других материалов, что
усложняет производство.
2. **Потери в волноводах**: Хотя кремниевые волноводы имеют низкие
потери, они всё ещё выше, чем у некоторых других материалов, таких как
кварц.
3. **Технологические сложности**: Создание высокоинтегрированных
оптоэлектронных устройств требует новых технологических процессов,
которые пока находятся в стадии развития.
4. **Широкополосность**: Текущие кремниевые фотонные транзисторы
могут иметь ограниченную широкополосность, что может быть
проблемой для некоторых приложений.

31. Практические применения

1. **Высокоскоростные коммуникации**: Фотонные
транзисторы могут использоваться для создания оптических
интерконнектов в серверах и центрах обработки данных, что
позволит увеличить пропускную способность и снизить
задержки.
2. **Квантовые вычисления**: Фотонные технологии являются
ключевыми для развития квантовых компьютеров, поскольку
фотонные кубиты могут быть более устойчивыми к внешним
возмущениям.
3. **Биомедицина**: Фотонные транзисторы могут применяться
в биосенсорах для анализа биологических жидкостей и тканей.
4. **Автоматизация и ИИ**: Высокоскоростная обработка
данных с использованием фотонных транзисторов может
ускорить работу систем искусственного интеллекта и
машинного обучения.

32. Архитектура компьютера на электронных ключах

33.

Компьютеры на электронных ключах — это
концепция, которая основана на использовании
электронных логических элементов (например,
транзисторов) для выполнения вычислений. Эти
устройства работают за счёт управления потоками
электронов через полупроводниковые структуры,
что позволяет создавать логические "ключи" или
переключатели, способные принимать два
состояния: включено (1) или выключено (0). Такая
бинарная система лежит в основе современных
цифровых компьютеров

34. Что такое электронные ключи?

Электронный ключ — это устройство, которое может
управлять потоком электрического тока, работая как
переключатель. В контексте компьютерной техники
наиболее распространённым примером такого ключа
является **транзистор**. Транзисторы являются
фундаментальными компонентами всех современных
процессоров и микросхем, позволяя создавать
сложные логические цепи, которые выполняют
арифметические и логические операции.

35. Основные типы транзисторов

1. **Биполярные транзисторы (BJT)**: Используются для
усиления сигнала и переключения.
2. **Полевые транзисторы (MOSFET)**: Наиболее
распространённый тип транзисторов в современной
микроэлектронике, используемый для создания
интегральных схем.
Транзисторы могут быть объединены в более сложные
структуры, такие как логические вентили (AND, OR,
NOT и др.), триггеры, мультиплексоры и декодеры,
которые формируют основу цифровой электроники.

36. Как работают компьютеры на электронных ключах?

1. Логические вентили
Логические вентили — это базовые строительные блоки
цифровых систем. Они реализуют логические операции
над входными сигналами и выдают результат на выходе.
Например:
- **Вентиль AND**: Выход равен 1, если оба входа
равны 1.
- **Вентиль OR**: Выход равен 1, если хотя бы один из
входов равен 1.
- **Вентиль NOT**: Инвертирует входной сигнал (если
вход 1, то выход 0, и наоборот).

37. Преимущества компьютеров на электронных ключах

1. **Высокая скорость работы**: Электронные ключи
могут переключаться с невероятно высокой скоростью (в
диапазоне гигагерц).
2. **Надёжность**: Транзисторы не имеют движущихся
механических частей, что делает их более надёжными по
сравнению с реле или аналоговыми устройствами.
3. **Малые размеры**: Благодаря развитию технологий
литографии, транзисторы становятся всё меньше, что
позволяет создавать высокоинтегрированные системы.
4. **Экономичность производства**: Массовое
производство микросхем на основе транзисторов значительно
удешевило компьютерную технику.

38. Ограничения и проблемы

1. **Тепловыделение**: При увеличении плотности
транзисторов на кристалле возрастает
тепловыделение, что требует эффективных систем
охлаждения.
2. **Масштабирование**: По мере уменьшения
размеров транзисторов возникают новые физические
эффекты (например, утечки тока), которые
усложняют дальнейшее миниатюризирование.
3. **Энергопотребление**: Несмотря на высокую
эффективность, современные процессоры
потребляют значительное количество энергии,
особенно при работе на максимальной мощности.

39. Будущее компьютеров на электронных ключах

Несмотря на достижения, классические электронные компьютеры
сталкиваются с ограничениями, связанными с законом Мура
(который предсказывает удвоение количества транзисторов на чипе
каждые два года). Чтобы преодолеть эти ограничения,
исследователи активно изучают следующие направления:
1. **Фотонные технологии**: Замена электронов фотонами для
создания более быстрых и энергоэффективных систем.
2. **Квантовые компьютеры**: Использование кубитов вместо
классических битов для решения задач, которые невозможно
решить с помощью традиционных компьютеров.
3. **Нейроморфные компьютеры**: Создание устройств,
имитирующих работу человеческого мозга, для повышения
эффективности обработки данных.

40.

41. Как работает квантовый выключатель?

Как работает квантовый
#### 1. выключатель?
Суперпозиция
В классическом выключателе выход может
быть либо "включён" (1), либо "выключен"
(0). В случае квантового выключателя выход
может находиться в состоянии суперпозиции,
то есть одновременно представлять собой
комбинацию 0 и 1. Например, если состояние
кубита описывается вектором $|\psi\rangle =
\alpha|0\rangle + \beta|1\rangle$, где
$\alpha$ и $\beta$ — комплексные числа,
удовлетворяющие условию $|\alpha|^2 +
|\beta|^2 = 1$, то кубит находится в
суперпозиции двух состояний.

42. 2. Энтанглмент

Квантовый выключатель может использовать
явление энтанглмента, когда два или более
кубита становятся взаимосвязаны таким
образом, что состояние одного кубита
напрямую зависит от состояния другого,
независимо от расстояния между ними. Это
свойство позволяет создавать сложные
логические цепи, которые невозможно
реализовать с помощью классических
устройств.

43. 3. Интерференция

Интерференция квантовых состояний
используется для управления потоком
информации. Квантовый выключатель может
усиливать или подавлять определённые пути
распространения кубитов, что аналогично
работе классического модулятора, но на
квантовом уровне.

44. Примеры реализаций квантового выключателя

1. Суперпроводящие кубиты
Суперпроводящие кубиты используются в
современных квантовых процессорах, таких
как те, разрабатываемые компаниями IBM,
Google и Rigetti. Эти устройства основаны на
кольцах Джозефсона — сверхпроводящих
структурах, которые могут находиться в
квантовых состояниях. Состояние кубита
контролируется при помощи внешних
магнитных полей или микроволновых
сигналов.

45. 2. Фотонные квантовые выключатели

Фотонные квантовые выключатели
используют фотоны для передачи
информации. Они могут быть реализованы с
помощью оптических элементов, таких как
интерферометры, резонаторы и нелинейные
среды. Фотоны идеально подходят для
квантовых вычислений, поскольку они легко
распространяются на большие расстояния без
потерь когерентности.

46. Атомные квантовые выключатели

Атомные квантовые выключатели основаны
на холодных атомах, которые помещаются в
оптические решётки. Состояние атомов
может быть изменено с помощью лазеров,
что позволяет создавать высокоточные
квантовые логические элементы.

47. Преимущества квантового выключателя

Преимущества
квантового
1. **Параллельные вычисления**: Благодаря
суперпозиции, квантовый выключатель может
выключателя
обрабатывать множество состояний
одновременно, что делает его намного более
мощным, чем классический выключатель.
2. **Безопасность**: Квантовые выключатели
могут использоваться для создания квантовых
криптографических систем, обеспечивающих
абсолютную безопасность связи.
3. **Энергоэффективность**: Некоторые
типы квантовых выключателей, такие как
фотонные, требуют минимального
энергопотребления, поскольку фотоны не
имеют массы и взаимодействуют очень слабо
с окружающей средой

48. Проблемы и вызовы

1. **Декогеренция**: Квантовые состояния чрезвычайно
чувствительны к внешним возмущениям, что приводит к
потере когерентности (декогеренции). Это ограничивает
время, в течение которого квантовый выключатель может
правильно функционировать.
2. **Технологические сложности**: Создание надёжных и
масштабируемых квантовых выключателей требует
преодоления множества технических препятствий, таких как
точный контроль температуры, изоляция от внешних помех и
миниатюризация компонентов.
3. **Масштабирование**: На данный момент большинство
квантовых выключателей работают только в маленьких
системах, и их интеграция в крупномасштабные устройства
остаётся сложной задачей

49. Практические применения

1. **Квантовые компьютеры**: Квантовые выключатели
являются основными элементами квантовых процессоров,
которые могут решать задачи, недоступные для
классических компьютеров.
2. **Квантовая связь**: Квантовые выключатели могут
использоваться для создания квантовых каналов связи,
обеспечивающих защиту данных от перехвата.
3. **Квантовые симуляторы**: Эти устройства позволяют
моделировать сложные квантовые системы, такие как
молекулы или материалы, что важно для развития новых
технологий и лекарств.

50. Спасибо за внимание