С 2015 года на основе интереса к квантовым вычислениям компания Intel сотрудничает с нидерландским институтом QuTech. Научные партнёры компании продвинулись в изучении как сверхпроводящих кубитов и систем на их основе, так и в изучении систем на кремниевых спиновых кубитах. И хотя научные коллективы QuTech остаются главной опорой Intel в изучении квантовых платформ компании, мировое научное сообщество начинает потихоньку включаться в процесс изучения квантовых вычислителей микропроцессорного гиганта.

Однокубитовый кремниевый чип Intel

На конференции общества American Physical Society, которая стартовала в этот понедельник, был прочитан целый ряд докладов по изучению кремниевых спиновых кубитов Intel и возможности их использования в качестве квантовых вычислителей. Также представители Intel рассказали о совершенствовании технологического процесса производства условных процессоров на кремниевых спиновых кубитах. По мере появления полных текстов докладов мы постараемся найти самые интересные из них, а пока вкратце сообщим об обсуждаемых вопросах.

Чипы в виде кремниевых спиновых кубитов компания выпускает на своём заводе D1D в Орегоне на тех же самых линиях, где производятся 14-нм и 10-нм x86-совместимые процессоры. Для производства кремниевых кубитов компания использует специально выращенные пластины со слоем из одного изотопа ― это так называемые изотопно-чистые пластины. Технология производства, тем не менее, это всё тот же литографический процесс с погружением в жидкость (иммерсионная полупроводниковая литография). Роль кубита играет одиночный электрон. По сути, это одноэлектронный транзистор, поэтому технологию производства не пришлось кардинально менять.

В настоящий момент компания поставляет научным коллективам одно- и двухкубитовые чипы, а также работает над созданием матричных массивов и двумерных массивов, тогда как раньше связность (запутанность) кубитов достигалась только в линейных конструкциях. Из нового доклада Intel следует, что при производстве двумерных массивов кремниевых спиновых кубитов используются сквозные TSVs-соединения и BGA-упаковка flip-chip. Вскоре Intel обещает представить 7-кубитовые и 17-кубитовые кремниевые спиновые процессоры в дополнение к уже изучаемым 2-кубитовым. Напомним, партнёры Intel используют спиновые квантовые процессоры компании для свободного программирования алгоритмов, а не для симуляции физических квантовых явлений. Это действительно вычислитель.

Кремниевая 300-мм пластина с квантовыми процессорами на основе спиновых кубитов

Параллельно научные партнёры Intel разрабатывают математические модели и примитивы для адаптации к квантовым вычислениям. Создаются инструменты для изучения характеристик кремниевых спиновых кубитов как при комнатной температуре, так и при температуре около 1,6 К, с планами в дальнейшем начать изучать поведение спиновых кубитов при температурах в несколько милликельвинов. Снятие рабочих характеристик, методика определения которых постоянно совершенствуется, позволит уменьшить разброс параметров и выведет на массовое производство кремниевых квантовых процессоров.

Исследователи из института Karlsruhe Institute of Technology (KIT) и компании Carl Zeiss AG разработали технологию печати трёхмерных микро- и нано-объектов с помощью лазерной проекции. Но не только это. Технология предусматривает попеременное использование в процессе печати материалов с различными свойствами, что открывает перед ней двери в массу областей практического применения. Это может быть печать многоцветных и флюоресцирующих защитных меток на ценные бумаги и упаковку товаров для защиты от подделок, как и создание структур для фотонной электроники.

Frederik Mayer, INT/KIT

Печать осуществляется в специальной камере с защитным стеклом в верхней её части. Прозрачное окно для позиционирования лазерного луча имеет диаметр всего 10 мм. Хитрость в том, что в камеру под давлением по команде компьютера подаётся жидкий фоторезист с требуемыми свойствами. Фоторезист, в свою очередь, в силу своих жидких свойств заполняет решётки в микро- или нано-каркасе. Управляемый компьютером лазерный луч фокусируется на тех ячейках, которые должны затвердеть. Остальной фоторезист вымывается и так слой за слоем, пока не будет обработан весь решётчатый каркас. Затем происходит окончательная промывка и закрепление рисунка.

Для пространственной печати учёные уже создали несколько жидких фоторезистов с требуемыми свойствами. Это несветящаяся жидкость для подложки (фона), два фоторезиста с различными флюоресцирующими квантовыми точками, два фоторезиста с двумя разными флюоресцирующими красками и две жидкости для закрепления рисунка. Представленные жидкости ориентированы на создание защитных решений для банкнот и ценных бумаг. Для трёхмерной лазерной печати использовалось оборудование компании Nanoscribe GmbH. Эта компания вышла из стен института KIT и готова продолжить коммерциализацию разработки на новом уровне.

Перовскиты ― это довольно широкая категория соединений с определённой кристаллической структурой. Предполагается, что в перовскитах скрыт большой потенциал для развития солнечной энергетики. Они дешевле кремниевых ячеек и проще в производстве. Например, если кремниевая подложка подвергается отжигу при температуре 1400 °C, то перовскиты создаются в жидких растворах с температурой от 100 °C. Кроме того, состав из перовскитов можно наносить на гибкую подложку и они могут быть прозрачными или цветными, что интересно с декоративной точки зрения.

Солнечная ячейка из перовскита (MIT)

При всей заманчивости использовать перовскиты в промышленности, учёные до сих пор не имеют перед собой ясной картины физических и химических процессов внутри этих структур. Более того, перовскиты содержат три структурных компонента, каждый из которых можно менять в широком спектре материалов, что позволяет получать на выходе кристаллические структуры с таким же и даже большим спектром свойств и возможностей. От чего же отталкиваться?

Группа учёных из Массачусетского технологического института, Калифорнийского университета в Сан-Диего и из некоторых других институтов взяла за основу недавнее открытие швейцарской школы École Polytechnique Fédérale de Lausanne. Было обнаружено, что добавка в смесь для приготовления перовскитов определённых щелочных металлов повышает КПД солнечной ячейки с 19 % до 22 %. На основе этого опыта в MIT было найдено такое соотношение из добавок типа цезия или рубидия, которое повышает теоретический предел эффективности солнечных ячеек из перовскита до 31 %.

MIT

При этом учёные продолжают настаивать, что механизм взаимодействия материалов внутри перовскитов остаётся далеко непонятным. Следование путём проб и ошибок позволяет подобрать более-менее подходящий «рецепт» для разработки материала с наилучшими свойствами для, скажем, преобразования света в электричество. Однако это не даёт понять глубинные механизмы работы перовскитов для их наилучшего использования и, следовательно, отдаляет успешную коммерциализацию, над чем ещё работать и работать. И всё же, как минимум две компании сейчас устанавливают производственные линии для выпуска перовскитов в промышленных масштабах. Ожидается, что запуск перовскитов в массовое производство состоится уже в следующем году.

Адъюнкт-профессор химии из Массачусетского университета в Амхерсте Триша Эндрю (Trisha Andrew) разработала технологию производства тканей с термоэлектрическими свойствами. Это позволит вырабатывать электричество за счёт разницы температуры тела и среды. Что интересно, за основу техпроцесса профессор взяла технологию производства полупроводников в виде осаждения рабочего материала из газовой среды. Информация о разработке опубликована в издании Advanced Materials Technologies. Технологией уже заинтересовались определённые крупные производители электроники, имена которых ей разглашать запрещено.

Фото Linden Allison

Предложенный материал отличается от традиционных термоэлектрических материалов, например, от популярного теллурида висмута тем, что он совершенно нетоксичный и не вызывает аллергических реакций или не ведёт к риску химического ожога при контакте с кожей. Это полимер PEDOT-Cl или поли(3,4-этилендиокситиофен) с p-присадками (persistently p-doped poly(3,4-ethylenedioxythiophene)). Подложкой (субстратом) для осаждения полимера служат обычные хлопковые нити. Важно отметить, что хлопок не напитывается полимером, а только покрывается его тонким слоем. Это позволяет сохранить теплоизоляционные свойства нитей и ткани, из которой даже можно пошить или связать одежду.

Слева аспирантка и соавтор изобретения Линден Эллисон, справа профессор Триша Эндрю (Фото Mark Anderson)

В лабораторных экспериментах участки ткани с полимерным термоэлектрическим покрытием показывают способность вырабатывать до 20 мВ электричества. Чем холоднее окружающий воздух, тем выше напряжение. В жарком климате, кстати, «холодную» сторону термоэлемента можно повернуть к коже, и термоткань продолжит работать и вырабатывать электричество. Впрочем, разработчики соглашаются, что вырабатываемых термотканью милливольт не хватит для прямого подключения к носимым устройствам, но для подзарядки аккумуляторов эта идея вполне может себя оправдать. С другой стороны, что мешает собрать термобатарею из нескольких секций или значительно большей площади?

На проходящей в эти дни конференции SPIE Photonics West 2019 французский исследовательский институт CEA-Leti представил прототип датчика для оптико-акустической спектроскопии для установки в портативные устройства, включая смартфоны. Компактный датчик размером с монету включает полупроводниковый лазер среднего инфракрасного диапазона, электронные цепи из области кремниевой фотоники, которые могут обрабатывать не электрический, а оптический сигнал, а также специализированную SoC и необходимые для интеграции в мобильные устройства интерфейсы.

В лабораториях CEA-Leti (Godart/CEA)

По словам разработчиков, современные датчики для оптико-акустической спектроскопии либо слишком большие, сложные и дорогие размером с «коробку для обуви» и ценой свыше 10 000 евро, либо миниатюрные и неточные. Новый химический датчик CEA-Leti сочетает небольшую стоимость, компактность и точность. Разработку можно использовать для мониторинга чистоты воздуха в помещении дома и в транспорте, для носимых датчиков опасности рабочих определённых профессий или для других целей, которые предполагают необходимость быстро с высокой точностью и с высокой степенью избирательности определить химический или бимолекулярный состав среды или вещества. Для любителей диет такие датчики наверняка окажутся сверхвостребованными.

На момент написания новости отсутствуют как подробности о разработке, так и её изображения. Во всяком случае, этого нет в официальном пресс-релизе института. Заявлено только, что датчик целиком выполняется на кремниевой подложке (чипе) и оперирует лазером в диапазоне от 2,1 мкм до 12 мкм. Основной трудностью было создать на чипе кремниево-фотонные цепи, которые могли бы управлять длинами волн в заданном диапазоне, а не настраиваться на одну длину волны, что для спектроскопии категорически не годится. Также в решении задействованы микроэлектромеханические матрицы (MEMS). О готовности перехода от прототипов к серийным изделиям также нет никакой информации.

В прошлом году компания TSMC ввела в работу производственные линии с техпроцессом 7 нм. Кроме этого техпроцесса она выпускает 20-нм, 16-нм и 10-нм чипы, а также считает всё ещё передовым техпроцессом выпуск чипов с нормами 28 нм. Все эти техпроцессы компания называет передовыми, а значит, на них должен быть самый высокий спрос. Тем не менее, сообщает тайваньский интернет-ресурс DigiTimes со ссылкой на местные источники, по некоторым признакам загрузка передовых мощностей TSMC стала существенно меньше. Началось это во второй половине года и может лишний раз сигнализировать о проблемах в полупроводниковой индустрии.

Задействованные на мощностях TSMC техпроцессы

Временами, отмечает источник, выполнение заказов клиентов на выпуск чипов с использованием передовых техпроцессов (перечень см. выше) растягивалось на шесть месяцев (это время включает очередь на ожидание выполнения). В первой половине 2018 года компании TSMC на выполнение заказов необходимо было три месяца. К концу 2018 года скорость исполнения заказов сократилась до двух месяцев, что косвенно подтверждает неполную загруженность 300-мм линий TSMC с передовыми техпроцессами.

Другим подтверждением неполной загрузки заводов компании стал неприятный инцидент, произошедший 19 января этого года. Тогда, напомним, из-за поставок фоторезиста ненадлежащего качества в брак пришлось списать свыше 10 000 пластин с чипами. При этом компания заявила, что она не будет пересматривать ранее обнародованные планы по поставкам клиентам продукции в первом квартале 2019 календарного года. Иначе говоря, за то же время она выпустит нужное количество пластин (чипов), которые заменят бракованные. Нетрудно сообразить, что в случае полной загрузки передовых линий она не могла бы такого сделать. Значит, загрузка далеко не полная, но компания не сообщает деталей на этот счёт.

Reuters

Недостаточная загрузка мощностей подтверждает ожидание непростого для отрасли года. В TSMC прогнозируют, что мировой рынок полупроводников в 2019 году вряд ли увеличится на величину свыше 1 %. Сама компания планирует увеличить объёмы продаж в диапазоне до 3 %. Как всегда она собирается расти, если это можно сказать о столь незначительных в данном случае суммах, быстрее отрасли.

Японцы одержимы экономией и повторным использованием ресурсов. Природа и недра страны достаточно скудны, чтобы с расточительством относиться даже к отходам производства. И в изобретательстве им не откажешь. В своё время, например, компания Sony разработала технологию изготовления катодов для литиево-ионных аккумуляторов из кофейной гущи. В 2001 году, когда для этого была предложена полностью рабочая технология, в Японии ежегодно утилизировали до 300 тыс. тонн этого сырья. Таким богатством грех было не воспользоваться.

Продолжение поисков и находок привело к появлению ещё одного интересного материала с необычными свойствами. Используя растительные остатки после переработки обычного риса ― рисовую шелуху ― учёные Sony сумели создать пористый углеродный материал с высочайшей поглощающей способностью. Материал с зарегистрированной товарной маркой Triporous характеризуется лучшей поглощающей способностью, чем традиционный активированный уголь. Институт изобретений и инноваций Японии в 2014 году за изобретение Triporous выдал Sony Поощрительную премию за изобретение 21 века. К настоящему моменту Sony довела изобретение до стадии коммерческого производства, которое может повторить любой желающий. Для этого необходимо только приобрести лицензию Sony на производство Triporous.

В чём же преимущество нового пористого углеродного материала Sony? Обычный активированный уголь имеет поры около 2 нм. Материал Triporous имеет 2-нм поры, поры размерами от 2 до 50 нм и поры размерами около 1 мкм ― три вида пор, связанных в единую структуру. Тем самым Triporous может поглощать молекулярные структуры с небольшой массой и с большой. Например, начиная с фильтрации вирусов и заканчивая фильтрацией бактерий и даже водорослей, вызывающих цветение воды. Из Triporous можно будет изготавливать целый спектр фильтров нового поколения для очистки воздуха и воды, поглощающие медицинские препараты, текстиль и даже одежду.

Xiaomi и Zhimi представили домашний очиститель воздуха

Ежегодно в Японии утилизируется до 2 млн тонн рисовой шелухи, а во всём мире каждый год вырабатывается до 100 млн тонн этого сырья. При желании есть где развернуться.

Электроннолучевая литография всё или почти всё. Крупнейший в мире производитель сканеров для полупроводниковой литографии, нидерландская компания ASML выпустила пресс-релиз, в котором сообщила о приобретении активов соотечественника ― компании Mapper из города Делфт в провинции Южная Голландия. Месяц назад Mapper сообщила о своём банкротстве, и ASML воспользовалась этим, чтобы по сходной цене стать собственником интересных разработок и заполучить грамотных инженеров. Однако финансовые детали сделки не разглашаются.

Специализация компании Mapper ― это электроннолучевая полупроводниковая литография. Каких-то 9 лет назад считалось, что данный вид проекции при производстве чипов станет настолько же популярным, как и использование сканеров. Электроннолучевая литография позволяет обходиться без фотошаблонов ― рисунок наносится на кремниевую пластину (на фотрезист) с помощью бомбардировки множественными пучками электронов. Одновременно таких пучков-лучей может быть тысячи, что ускоряет проекцию каждой пластины. Экономия на фотомасках колоссальная. Для 300-мм пластин каждая маска стоит до $1 млн, а их на каждую пластину может понадобиться несколько десятков.

Компания TSMC, например, провела массивную обкатку проекционного оборудования компании Mapper на заводе Fab 12 в 2008–2009 годах. Всерьёз рассматривался вопрос внедрения электроннолучевых сканеров для выпуска чипов с нормами менее 20 нм. К сожалению для Mapper и для других игроков на этом рынке, победила иммерсионная литография и многократная проекция, за которыми, преимущественно, стояла ASML.

Впрочем, ASML собирается продолжить разработки в области электроннолучевой проекции. С одной стороны, это позволит занять хорошо знакомым делом бывших специалистов Mapper. С другой стороны, уже под крылом ASML данная технология может созреть до широкого коммерческого внедрения. Как знать, может быть для электроннолучевых сканеров ещё не всё потеряно? Кстати, только не надо смеяться, в 2012 году в Mapper инвестировала корпорация РОСНАНО. Но это уже другая история.

В последние годы среди учёных набирает популярность исследование свойств и поиск прикладных свойств перовскитов ― минералов титаната кальция, впервые найденных на Урале около 180 лет назад. Дальше всего зашли разработчики солнечных панелей (фотоэлементов) из перовскита. Использование напыления из этого материала позволяет создавать искривлённые и полупрозрачные панели с КПД заметно большим, чем у обычного кремния. Но перовскиты при определённых условиях могут также излучать фотоны. Именно сочетание светоизлучающих свойств этого материала с гибкостью и частичной прозрачностью позволило корейским учёным создать гибкий и полупрозрачный светодиод из перовскита.

Испытание светодиода из перовскита на изгиб (UNIST)

Группа учёных из южнокорейского Национального института науки и технологий Ульсана (UNIST) представила светодиод на основе перовскита. Также разработчики создали методологию и инструменты для изучения надёжности светодиодов на изгиб. Опытная разработка без разрушений выдерживает многократный изгиб радиусом до 2,5 мм. Это позволяет надеяться на создание складывающихся дисплеев на экранах с использованием PeLED (Perovskite Light Emitting Diode), если таковые когда-нибудь появятся.

Испытание светодиода из перовскита на скручивание (UNIST)

Опытный светодиод из перовскита обладает хорошей мощностью, яркостью и чистым цветовым спектром. Его прозрачность составляет 50 %. Чтобы все компоненты светодиода были полупрозрачными, пришлось отказаться от токопроводящих дорожек из металла, которые заменили нанодорожками из серебра. Кстати, светодиод из перовскита продолжал ярко светится как во время изгибов поперёк плоскости, так и при закручивании в спираль. В дальнейшем учёные планируют изучить надёжность перовскитов в качестве светодиодов в виде тонкоплёночных структур. Этот материал быстро деградирует на открытом воздухе (при взаимодействии с кислородом) и в процессе увлажнения. Эксперименты должны прояснить перспективность использования этого материала для производства LED.

Интерес к виртуальной и дополненной реальности стимулирует разработчиков совершенствовать технологии производства дисплеев MicroLED. С одной стороны, производство MicroLED ограничено в объёмах технологией выпуска на кремниевых пластинах (очень жаль, что 450-мм пластины так и не стали действительностью). С другой стороны, производство на стеклянных подложках (LCD или OLED) ограничивает размер пикселя на экране габаритами управляющих тонкоплёночных транзисторов под светодиодом или ячейкой с жидкими кристаллами. Но даже в современной реализации разрешение MicroLED оставляет желать лучшего.

Пример производства MicroLED (https://www.researchgate.net)

Группа учёных из Рочестерского технологического института (Rochester Institute of Technology) предложила для дисплеев MicroLED новую структуру ― вертикальные нанопроводные транзисторы. Как и другие современные MicroLED, транзисторы выращиваются на слое нитрида галлия на кремниевой подложке. Только вместо создания горизонтальных (планарных) транзисторных структур разработана технология выращивания вертикальных транзисторов в виде нанопроводов. По сути ― это те же GaN биполярные транзисторы со статической индукцией (SIT, Static Induction Transistor), что и раньше, только выращенные вверх, а не в сторону.

Планарный транзистор много больше по размерам, чем пиксель-LED

Это означает, что нанопроводной транзистор можно полностью спрятать под пиксель, точнее ― под светодиод, которым он управляет. Тем самым пиксели (светодиоды) можно будет расположить максимально плотно и даже уменьшить их размеры. Насколько? Если сравнивать с экранами OLED современных Apple iPhone X, заявляют разработчики, то размеры пикселя можно уменьшить в 1500 раз. Фантастика! Впрочем, у курса на снижение размера пикселя в MicroLED есть и другие препятствия, которые всё ещё предстоит обойти.

Эксперименты с нанопроводными вертикальными GaN-транзисторами и светодиодами показали, что решение имеет в два раза лучшую энергоэффективность, чем тонкоплёночные транзисторы. При этом яркость новых структур намного выше, а соотношение токов открытия/закрытия лучше в 900 раз, если сравнивать с обычными вертикальными транзисторами SIT. Есть только одна проблема. Новые транзисторные структуры постоянно открытые, а для закрытия (переключения) требуются отрицательные значения напряжений. Это определённо усложнит контроллеры таких дисплеев.

Изображение вертикальной нанопроводной структуры (фотография разработчика Matthew Hartensveld)

Также следует учитывать определённую сложность техпроцесса по выращиванию вертикальных нанопроводных структур. Иначе говоря ― это будет более затратный процесс, чем обычно. Но это не означает, что на данной технологии надо поставить крест. Её будут развивать и, возможно, когда-нибудь она станет реальностью. К слову, GaN-транзисторы и светодиоды оптически прозрачные, что будет кстати для гарнитур с дополненной реальностью.