Preview

Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники

Расширенный поиск
Том 23, № 3 (2020)
https://doi.org/10.17073/1609-3577-2020-3

Материаловедение и технология. Полупроводники 

167-176 178
Аннотация

Продолжен предпринятый ранее в ряде работ анализ современного состояния рынка GaAs и приборов на его основе. Двойное полупроводниковое соединение арсенид галлия (GaAs) — традиционный материал СВЧ-электроники. До недавних пор одним из наиболее быстрорастущих сегментов рынка применений этого материала были высокочастотные интегральные схемы на GaAs для мобильной телефонии. Однако, парадигма развития рынка GaAs меняется. Новым двигателем развития мирового рынка арсенида галлия становится фотоника и терагерцовая техника. Это означает, что в технологиях выращивания монокристаллов GaAs произойдет смена акцентов в сторону кристаллов «оптоэлектронного качества», получаемых методом вертикальной направленной кристаллизации. В средне- и долгосрочной перспективе мировые рынки пластин и эпитаксиальных структур GaAs будут расти. В ближайшей перспективе необходимо учитывать последствия пандемии COVID. Пока рынок GaAs тесно связано с разработками на рынке смартфонов. Очень вероятно, что после длительного периода роста рынок GaAs будет второй год подряд сокращаться — производство GaAs в 2020 году может снизиться на 11—12 %. Если предположить, что пандемия будет как-то взята под контроль в 2021 году, общее производство смартфонов вероятно, вырастет начиная с 2021 г.

На данный момент российский рынок полупроводниковых соединений для развития фотоники и электронно-компонентной базы (GaAs и др.) имеет незначительный объем и в ближайшей перспективе не достигнет уровня, необходимого для появления конкурентоспособного отечественного производителя, даже при условии выполнения программ импортозамещения. В то же время, существует понимание, что для создания современной электронной компонентной базы в России необходимо развивать производства исходных материалов.

Материаловедение и технология. Диэлектрики 

177-185 137
Аннотация

Приведены результаты спектроскопии оптического поглощения и фотолюминесценции монокристаллов Lu2SiO5:Ce3+(LSO), полученных модифицированным методом Мусатова. Спектры поглощения демонстрируют фундаментальный край собственного поглощения матрицы Lu2SiO5 около 200 нм и четыре примесные полосы активатора Ce3+ в диапазоне 250÷375 нм. Ширина запрещенной зоны, рассчитанная по положению края поглощения, составила от 6,19 до 6,29 эВ, в зависимости от направления оптического луча. Подтверждено, что примесные полосы поглощения соответствуют оптическим переходам в ионах активатора Ce3+, расположенных в двух кристаллографически неэквивалентных позициях CeI (при 3.47, 4.2 и 4.7 эВ) и CeII (при 3.74 эВ), изученных ранее. Из параметров полос поглощения оценены силы осциллятора для оптических переходов в ионе Ce3+. Спектры фотолюминесценции, возбуждаемой УФ лазерными импульсами с энергиями фотона 3.49 эВ, характеризуются тремя полосами: ~2.96, ~3.13 эВ (CeI) и ~2,70 эВ (CeII). Методом термостимулированной люминесценции исследована энергетическая структура электронных ловушек в LSO, при экспозиции кристаллов УФ источниками с различными спектральными и энергетическими характеристиками. Показано, что все полученные кривые термостимулированной люминесценции характеризуются по меньшей мере двумя максимумами при 345 и 400 К, с соотношением интенсивности 4:1, за которые ответственны электронные ловушки с глубинами 0,92÷0,96 и 1,12÷1,18 эВ. При экспозиции LSO наиболее мощным из задействованных в экспериментах излучением ртутной лампы высокого давления были впервые обнаружены ловушки, характеризующиеся глубиной 0.88 эВ. На основе полученных в работе данных об излучательных и безызлучательных переходах построена модель энергетической структуры LSO. Установлено, что механизм люминесценции в исследуемом материале, является более сложным, чем было ранее описано в литературе, не являясь исключительно внутрицентровым. Показано что при значительных энергиях возбуждения может происходить ионизация hva+ Ce3+ = Ce4+ + e-. Сделано предположение, что в процессах запасания энергии возбуждения участвует не только активатор Ce, но и зона проводимости, равно как и ловушечные состояния, локализованные вблизи нее.

Математическое моделирование в материаловедении электронных компонентов 

186-195 183
Аннотация
Искусственные нейронные сети играют важную роль в современном мире. Основная их область применения это задачи распознавания и обработки изображений, речи, а также робототехника и беспилотные системы. Использование нейронных сетей связано с большими вычислительными затратами. Отчасти именно этот факт сдерживал их прогресс, и только с появлением высокопроизводительных вычислительных систем  началось активное развитие данной области. Тем не менее, вопрос ускорения работы нейросетевых алгоритмов все еще актуален. Одним из перспективных направлений является создание аналоговых реализаций искусственных нейронных сетей, так как аналоговые вычисления производятся на порядки быстрее, чем цифровые. В качестве базового элемента, на котором строятся такие системы, выступает мемристор. Мемристор представляет собой резистор, проводимость которого зависит от суммарного пройденного через него заряда. Объединение мемристоров в матрицу (кроссбар) позволяет реализовать на аппаратном уровне один слой искусственных синапсов. Традиционно в качестве аналогового метода обучения применяется метод STDP, основанный на правиле Хебба. В работе выполняется моделирование двухслойной полносвязной сети с одним слоем синапсов. Мемристивный эффект может проявляться в разных веществах (в основном в разных оксидах), поэтому важно понимать, как характеристики мемристоров будут влиять на параметры нейронной сети. Рассматриваются два оксида: оксид титана (TiO2) и оксид гафния (HfO2). Для каждого оксида выполняется параметрическая идентификация соответствующей математической модели для наилучшего согласования с экспериментальными данными. Производится настройка нейронной сети в зависимости от используемого оксида и моделируется процесс ее обучения распознаванию пяти шаблонов.

Наноматериалы и нанотехнологии 

196-202 110
Аннотация
Актуальной проблемой современной радиотехники и радиоэлектроники является создание композитных материалов с заданными характеристиками, которые могут быть использованы в качестве материалов электронной техники. Особый интерес вызывают исследования в области разработки широкополосных поглотителей электромагнитного излучения в СВЧ-диапазоне. Для этого изучаются материалы, способные эффективно поглощать и отражать падающую волну, обладающие четко выраженной наноструктурой, на основе ферромагнитных металлов. Создание нанокапсулированных металлов позволит управлять характеристиками получаемого материала. Для этого применяют полимерные матицы, в качестве одной из которых может быть использован пиролизованный полиакрилонитрил (ППАН). Представлены результаты теоретического исследования модели монослоя ППАН, содержащего пары атомов переходных металлов железа, никеля и кобальта, обладающих ферромагнитными свойствами, в сочетаниях Fe—Co, Ni—Co и Fe—Ni, с добавлением аморфизирующей присадки кремния. Исследована геометрическая структура металлокомпозитных систем, модель которых представляет собой молекулярные кластеры ППАН, из центров которых удалены шесть атомов основного вещества и в образовавшиеся дефекты (так называемые поры) помещены пары изучаемых атомов металлов. Обнаружено искривление монослоя, содержащего металлы, по сравнению с изначально планарным монослоем ППАН. Построены одноэлектронные спектры композитных наносистем и проанализирована ширина их запрещенной щели. Установлено, что присутствие атомов металлов приводит к уменьшению ширины запрещенной щели металлокомпозита по сравнению с чистым ППАН. Определены заряды металлов и зафиксирован факт переноса электронной плотности от атомов металлов к соседним с ними атомам монослоя ППАН. Вычислена средняя энергия связи рассмотренных металлокомпозитных систем и доказана их стабильность. Исследования проводились с использованием метода DFT (теория функционала плотности) с функционалом B3LYP и базисом 6-31G(d).
203-212 123
Аннотация
Методами оптической профилометрии, сканирующей электронной и зондовой микроскопии исследована модификация полированной поверхности {111} монокристаллического германия (n-тип проводимости, удельное сопротивление 47 Ом · см) в результате воздействия сфокусированным частотно-импульсным излучением наносекундного ультрафиолетового Nd : YaG лазера. Выявлено, что порог плазмообразования с образованием кратера на поверхности возникает при плотности энергии лазерного излучения Е ~ 1,2÷1,3 Дж/см2. При неподвижном положении образца при Е ~ 0,1 Дж/см2 возникали необратимые повреждения поверхности. При сканировании поверхности излучением при Е ~ 0,50÷1,15 Дж/см2, в отсутствии заметных следов кратерообразования, наблюдалось образование ямок травления с правильной трехгранной формой, концентрация которых  составляла (3—5) ⋅ 105 см-2. Фигуры напоминают дислокационные ямки травления, получаемые селективным химическим травлением.
Выявление дислокаций происходило путем абляции в результате воздействия лазерного излучения. Центрами зарождения абляции являются дислокации, выходящие на поверхность кристалла. Поперечный размер ямок травления  составил ~5—10 мкм, и их перекрытие привело к чередующейся картине трехгранных пирамид, образованных плоскостями {111}. Наблюдали скругленные грани и вершины пирамид, высота профиля фигур составила ∼1—2 мкм. Линейные размеры ямок свидетельствуют о быстром протекании процесса. Исходя из суммарного времени воздействия излучения на поверхность ∼200 нc установлена скорость формирования плоских граней в ямках, которая составляет ∼0,1—0,3 м/с, что на несколько порядков превышает скорость формирования таких же граней при росте кристалла. Глубина поверхностного слоя, в котором происходило формирование структуры, составляла ∼15 мкм.

Физические свойства и методы исследования 

213-221 115
Аннотация

В работе представлены результаты исследования люминесцентных свойств галлата кальция, активированного трехвалентными редкоземельными ионами Yb3+ и Er3+. Изучены спектры ИК-люминесценции образцов с одним активатором Ca1‑хYbxGa2O4,Ca1‑хErxGa2O4 при возбуждении источниками излучения с длиной волны 940 и 790 нм соответственно. Получена зависимость интенсивности люминесценции образцов от концентрации редкоземельных ионов. При возбуждении двухактиваторного состава Ca1‑х‑yYbxEryGa2O4 полупроводниковым лазерным диодом с длиной волны 940 нм зарегистрирована ИК-люминесценция в областях 980-1100 нм и 1450-1670 нм. Излучение в этих полосах соответствует электронным переходам в ионах Yb3+ и Er3+ соответственно. Для полосы люминесценции с максимумом на длине волны 1538 нм измерены спектры возбуждения, максимум интенсивности приходится на длины волн: 930, 941, 970, 980 нм. Исследована зависимость интенсивности ИК-люминесценции твердого раствора Ca1‑х‑yYbxEryGa2O4  от концентрации ионов Er3+. С увеличением концентрации ионов Er3+  в спектрах люминесценции наблюдается перераспределение в интенсивностях  полос, принадлежащих ионам  Yb3+ и Er3+,  что указывает наналичии процессов переноса энергии между этими ионами. Исследована кинетика затухания ИК-люминесценции для серий  с одним и двумя активаторами: Ca1‑хYbxGa2O4,Ca1‑хErxGa2O4, Ca1‑х‑yYbxEryGa2O4. Установлено, что затухание люминесценции происходит преимущественно по экспоненциальному закону, что указывает на преобладание внутрицентрового механизма люминесценции в исследуемых структурах. На основании анализа спектров возбуждения и спектров люминесценции экспериментальных образцов сделаны выводы о взаимодействии ионов активаторов Yb3+ и Er3+ в кристаллической решетке галлата кальция.

222-228 103
Аннотация

В последние годы наметился поворот в производстве интегральных микросхем — переход от использования однокомпонентных металлических материалов к высокочистым сплавам. Использование чистых металлов в качестве проводникового материала приводит к ряду технологических отклонений. Микролегирование металла основы позволяет устранить эти недостатки. Особо чистый алюминий с минимальным содержанием примесей широко используется в электронной технике для изготовления токопроводящих дорожек интегральных микросхем. Поэтому разработка составов новых сплавов на основе этого металла является актуальной задачей. Одним из представителей данной группы сплавов на основе особо чистого алюминия является сплав АК1М2 (Al + 1 % Si + 2 % Cu). Последний сплав был принят в качестве модельного и подвергнут модифицированию щелочноземельными металлами (ЩЗМ).

В режиме «охлаждения» по известной теплоемкости эталонного образца из меди определена теплоемкость сплава АК1М2 с ЩЗМ. При этом получены полиномы, описывающие скорости охлаждения образцов из сплава АК1М2 с ЩЗМ и из эталона. По экспериментально найденным значениям скоростей охлаждения образцов из сплавов и эталона (с учетом их массы) установлены полиномы температурной зависимости теплоемкости сплавов. Температурная зависимость теплоемкости сплавов описывается четырехчленным уравнением. Используя интегральную зависимость удельной теплоемкости сплавов, построены модели температурной зависимости изменений их термодинамических функций.

С помощью полученных зависимостей установлено, что с ростом температуры теплоемкость и термодинамические функции сплавов увеличиваются. Добавки ЩЗМ незначительно уменьшают теплоемкость, энтальпию и энтропию исходного сплава АК1М2 и увеличивают значение энергии Гиббса. В пределах подгруппы ЩЗМ теплоемкость сплавов уменьшается, что коррелирует с теплоемкостью чистых ЩЗМ в пределах подгруппы.
229-240 138
Аннотация
Актуальным является применение новых видов детекторов  для подготовки ускорителя к сеансу протонной терапии. В статье описывается предлагаемая новая многофункциональная ионизационная камера(МИК) предназначенная для измерения дозных профилей при работе ускорителя в режиме сканирующего “карандашного пучка”. Цифровой детектор получения изображений(ЦДПИ) с тканеэквивалентным водным фантомом применяется для калибровки ускорителя перед сеансом лучевой терапии. В статье описывается его  применение на пучке протонного ускорителя работающего в режиме дробления пучка на споты при режиме сканирующего пучка. Детектор ЦДПИ позволяет за несколько импульсов ускорителя в режиме on-line увидеть, как энерговыделение каждого спота  распределяется по области облучаемой мишени. В этом и заключается фактически калибровка ускорителя перед сеансом протонной терапии.  В статье предлагается использовать МИК в процессе проведения сеанса протонной терапии - МИК устанавливается непосредственно перед пациентом.   Камера МИК содержит в себе две ионизационные камеры работающие одновременно это падовая камера(ПК) работающая на газе или “теплой жидкости” и стриповая ионизационная камера работающая на газе (СК). Предлагается использование МИК, который будет применяться на ускорителе «Прометеус» при режиме работы методом активного сканирования «карандашным» протонным пучком.  Применение  работы МИК предназначено для контроля пучка в процессе  облучения «мишени» у пациента в процессе сеанса протонной терапии. В случае нарушения запланированного режима работы ускорителя и выхода пучка за заранее заданные перед сеансом параметры система обнаружения отклонений(СКОО) отключит ускоритель. Описывается устройство считывающей электроники(СЭ) камеры МИК и СКОО. Данный предлагаемый детектор включающий камеру МИК и СКОО и обслуживающую его считывающую электронику(СЭ)  позволит повысить качество подведения терапевтического пучка, благодаря точному знанию поглощенной дозы подводимой сканирующим пучком к каждому споту облучаемой мишени, и поэтому формируемое поле распределения высокой дозы будет соответствовать облучаемому объему у пациента и повысит конформность облучения. Падовая камера ПК входящая в МИК  сконструирована на «теплой жидкости» (либо на газе) и представляет собой высокоточную ионизационную камеру с координатной чувствительностью по ширине облучаемой мишени. Стриповая камера СК входящая в МИК работает на газе и контролирует направление падающего пучка на данный спот в мишени. Разработан  вариант исполнения зарядовочувствительного предусилителя (ЗЧПУ) и системы СЭ предназначенной для экспериментальной проверки прототипа МИК.

Общие вопросы 

241-247 92
Аннотация

В статье рассматривается методика, позволяющая оценить эффективность высокопроизводительной платформы для научных исследований. Оценка проводится на примере центра коллективного пользования (ЦКП) «Информатика», ФИЦ ИУ РАН, при решении задач синтеза новых материалов. Основной задачей ЦКП «Информатика» является проведение научных исследований с использованием программно-технических средств ЦОД ФИЦ ИУ РАН, в том числе в интересах сторонних организаций и научных коллективов. Представлена общая характеристика ЦКП «Информатика» включая основные характеристики его научного оборудования, организацию работы и его возможности. Гибридный высокопроизводительный вычислительный комплекс ФИЦ ИУ РАН (ГВВК), является составной частью ЦОД ФИЦ ИУ РАН и входит в ЦКП «Информатика». ГВВК предоставляет вычислительные ресурсы в виде облачных услуг «Программное обеспечение как сервис» - SaaS и «Платформа как сервис» - PaaS. С помощью специальных технологий исследователям предоставляется научные сервисы в виде предметно-ориентированных программ. На основе анализа структуры и принципов функционирования ЦКП «Информатика» разработаны базовые показатели эффективности ЦКП, учитывающие его специфику и характеризующий различные аспекты деятельности (развития, деятельности, результативности). Оценка эффективности ЦКП заключается в расчете на основе разработанных показателей некоторых сводных (обобщенных) показателей, которые характеризуют эффективность функционирования ЦКП в различных областях. Также вычисляется интегральный показатель, показывающий эффективность ЦКП в целом. Для получения сводных показателей эффективности и интегрального показателя эффективности предложено использовать методы среднего взвешенного и анализа иерархий. Рассмотрен порядок определения частных показателей эффективности. Отмечены особенности выбора показателей эффективности ЦКП при решении задач синтеза новых материалов, характеризующие возможности вычислительного комплекса по созданию среды виртуализации (пиковая производительность вычислительной системы, реальная производительность вычислительной системы на специализированных тестах, загрузка оборудования прикладными задачами, эффективность программного кода).



Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 1609-3577 (Print)
ISSN 2413-6387 (Online)