Important results

2021:

Решение уравнения Шредингера на квантовом компьютере методом Залки-Визнера с учетом квантовых шумов

Авторы: Ю.И. Богданов, Н.А. Богданова, Д.В. Фастовец, В.Ф. Лукичев

Раздел фундаментальных и поисковых научных исследований: 1.1.5.6. Квантовое глубокое машинное обучение на основе квантовых поисковых алгоритмов, квантового программирования, квантовых нейронных сетей и квантовых генетических алгоритмов

Наиболее прямой способ решения задач в случае квантово-механических систем – это поиск решения нестационарного уравнения Шрёдингера. Квантовый компьютер способен эффективно его решать при использовании алгоритма Залки-Визнера.

Предложен метод оценки влияния квантовых шумов при моделировании квантовых систем на квантовом компьютере с использованием алгоритма Залки-Визнера. Рисунок 1 дает наглядное представление об уровне влияния квантовых шумов на точность получения решения уравнения Шредингера на квантовом вычислителе. Из рисунка 2 видно, что для адекватного моделирования квантовых систем из десятков электронов требуется иметь уровень ошибки порядка e=0.001 и ниже, а для моделирования систем из сотен электронов нужно обеспечить уровень e=0.0001 и ниже. При этом вероятность ошибки отдельного вентиля должна достигать уровня e2, т.е. порядка 10^-6 – 10^-8.

Результаты исследования имеют существенное значение для разработки методов моделирования квантовых систем с использованием квантовых компьютеров и симуляторов, что критически важно для решения практически значимых задач в самых различных научных областях.

Important results — Эволюция плотности распределения в координатном представлении (регистр из 9 кубитов, уровень шума 0.01)

Bogdanov Yu.I., Bogdanova N.A., Fastovets D.V., Lukichev V.F. Simulation of the Schrodinger equation on a quantum computer using the Zalka-Wiesner method taking into account the quantum noise // JETP Letters 114, issue 6 (2021).

Многослойные гетероструктуры кремний-сегнетоэлектрик
(Silicon-on-Ferroelectric)

Авторы от ФТИАН им. К.А. Валиева РАН: К.В. Руденко, А.В. Мяконьких, А.Е. Рогожин, А.А. Ломов

Раздел фундаментальных и поисковых научных исследований: 2.6.2.5. Элементная база для перспективных информационно-вычислительных систем, работающих на новых физических принципах

Предложены и реализованы термостабильные гетероструктуры кремний-на-сегнетоэлектрике, совместимые с современной кремниевой КМОП-технологией. На их основе разработаны двухзатворные сегнетоэлектрические транзисторы 2G FeFET, обладающие сегнетоэлектрическим гистерезисом с окном памяти 1.2-1.3 В и построены их компактные математические модели. Впервые создан интегрируемый прибор, обладающий одновременно свойствами логики и памяти, открывающий новые перспективы не только для изготовления нового типа энергонезависимой памяти, способной к интеграции до проектных норм 22-16 нм, но и для разработки новых архитектур процессоров для нейроморфных вычислений (концепция “in memory computing).

Рисунок1 – ВРЭМ-изображение поперечного сечения КНС структуры после термообработки при Tann = 1100oC с заглубленным оксидом гафния (HO BOX) PEALD, нанесенным на сапфировую подложку (0001)

Рисунок 2 – Слева: спектр GIXRD образца после отжига при 800оС в течение 1 часа (на вставке – структура устройства); справа: сегнетоэлектрический гистерезис сток-затворных характеристик псевдо-МОП-транзистора на мезаструктуре после RTA при 900оС в течение 30 c (скорости развертки: 0,4 В/с – черный цвет, 0,12 В/с – красный, 0.04 В/с – синий)

Phys. D: Appl. Phys. – 2021 – V.54(22) – 225101.
Materials Today Communications – 2021 – V.28 –
Stat. Sol. A – 2021 – V.218(23) – 2100109.
EuroSOI-ULIS – 2021 – pp. 1-4 – DOI: 10.1109/EuroSOI-ULIS53016.2021.9560687 (приглашенный доклад).

Теория стабильности интерфейсов в проблемах надежности и долговечности ИС

Авторы: Т.М. Махвиладзе, М.Е. Сарычев

Раздел фундаментальных и поисковых научных исследований: 1.3.2.10. Физическое материаловедение и физика дефектов.

Долговечность современных ИС в значительной степени определяется надежностью интерфейсов. В рамках общей теории нестабильных интерфейсов получены решения уравнений, описывающих процессы влияния электрического поля и различных механических напряжений на устойчивость интерфейсов соединенных материалов под совместным действием электрического тока и различных механических напряжений, вызванных процессами электромиграции, влиянием структурных, материальных и геометрических характеристик материалов, наличием примесей, остаточных напряжений, а также эксплуатационными параметрами и другими причинами, влияющими на работоспособность и время до отказа планарных и объёмных ИС. Выявлены зоны неустойчивости интерфейсов разной степени сложности в зависимости от внешних условий (температуры, плотности тока и остаточных механических напряжений, генерируемых подложкой). Получены опытные подтверждения критериев устойчивости и параметров, определяющих зоны стабильности, для широко применяемых интерфейсных структур, исследованы соответствующие времена до отказа. Развитая теория позволит при создании новых перспективных структур заранее предсказывать и обосновывать их надежность и время до отказа.

2020:

Разработка прецизионных методов анализа многофотонных квантовых состояний

Авторы: Ю.И. Богданов, Н.А. Богданова, К.Г. Катамадзе, Г.В. Авосопянц, В.Ф. Лукичев

Анализ статистики фотонов квантовых состояний света является важнейшим инструментом, использующимся в оптических квантовых информационных технологиях для прецизионного контроля квантовых источников, каналов и детекторов. Для того, чтобы на основе ограниченного набора экспериментальных данных получить максимальную информацию о параметрах системы, необходимо разработать адекватную, полную и точную модель статистического распределения фотонов. В рамках этого направления в 2020 году было разработано две новых модели распределений по числу фотонов. Первая описывает статистику m-модовой подсистемы M-модового теплового состояния, при условии, что в нем было уничтожено K фотонов (см. рис.) [1]. Вторая модель определяет гиперпуассоновскую статистику и описывает число бозонов в заданной подсистеме конечномерной многоуровневой системы в условиях, когда полное число частиц является случайной величиной, имеющей распределение Пуассона. [2]. Было продемонстрировано, что обе модели можно эффективно использовать для восстановления параметров различных квантовых состояний света, квантовых каналов и квантовых детекторов.

K. G. Katamadze, G. V. Avosopiants, N. A. Bogdanova, Yu. I. Bogdanov, S. P. Kulik Multimode thermal states with multiphoton subtraction: study of the photons number distribution in the selected subsystem // Physical Review A. 101, 013811 (2020)
Yu. I. Bogdanov, N. A. Bogdanova, K. G. Katamadze, G. V. Avosopyants & V. F. Lukichev Hyper-Poisson Photon Statistics // JETP Letters volume 111, p. 543–548(2020)

Структуры Кремний-на-Ферроэлектрике (SOF, SFS)

Авторы: А.В. Мяконьких, А.Е. Рогожин, А.А. Ломов, К.В. Руденко

Для развития новой элементной базы вычислительных архитектур в парадигме “In Memory Computing” исследована возможность создания пластин кремний-на-диэлектрике со сверхтонким скрытым ферроэлектрическим слоем с высокой диэлектрической проницаемостью (UTBOX) путем атомно-слоевого осаждения (ALD) композитных слоев HfO₂:Al, HfO₂:Zr на сапфировые и кремниевые подложки с последующим переносом монокристаллического приборного слоя кремния на их поверхность бондингом по технологии DeleCut и термообработки RTA. В структуре кремний на сегнетоэлектрике (SOF) впервые была обнаружена чрезвычайно высокая термическая стабильность сегнетоэлектрической фазы ромбического Pca2₁ оксида гафния до температуры 1100^oC. Проведены структурные измерения при помощи рентгеновской дифракции и подтвержден сегнетоэлектрический гистерезис в псевдо-MOSFET конфигурации. Структуры кремний – ферроэлектрический BOX – кремний (SFS) на основе оксида гафния и включениями оксида алюминия также демонстрируют повышенную термическую стабильность во время быстрых термических отжигов при температуре до 900°C, что делает их полностью совместимыми с текущей технологией CMOS и открывает перспективы создания оптоэлектронных и нейроморфных интегральных схем с проектными нормами до 22 нм на основе планарных транзисторов c двойным затвором DG FeFET, где активным ферроэлектриком является UTBOX.

V.P. Popov, V.A. Antonov, A.K. Gutakovskiy, A.V. Miakonkikh, K.V. Rudenko, Hafnia and alumina stacks as UTBOXs in silicon-on insulator // Solid-State Electronics, 2020, 168, 107734, 10.1016/j.sse.2019.107734
V.P. Popov, V.A. Antonov, F.V. Tikhonenko, S.M. Tarkov, A.K. Gutakovskii, I.E. Tyschenko, A.V. Miakonkikh, A.A. Lomov, A.E. Rogozhin, K.V. Rudenko, Robust Semiconductor-on-Ferroelectric Structures with Hafnia-Zirconia-Alumina UTBOX/ Stacks Compatible with the CMOS Technology // Applied Physics Letters (статья направлена 15 сентября 2020 г)

Переключатель на основе технологии микроэлектромеханических систем (МЭМС)

Авторы: И.В. Уваров, В.В. Наумов, О.М. Королева, Е.И. Ваганова, М.О. Изюмов, И.И. Амиров

Разработан электромеханический переключатель микронных размеров. Изделие представляет собой подвижную металлическую балку, расположенную над управляющими и сигнальными электродами. Различные варианты исполнения представлены на рисунках. В переключателе использован электростатический принцип управления. Основным отличием изделия от известных МЭМС-переключателей является встроенный механизм активного размыкания, обеспечивающий защиту контактов от залипания. Ключ изготавливается по технологии микросистемной техники на пластинах кремния или арсенида галлия. Процесс изготовления совместим с технологией интегральных схем. Основные рабочие характеристики изделия представлены в таблице. Переключатель сочетает в себе достоинства традиционных электромеханических и полупроводниковых ключей, и поэтому рассматривается в качестве альтернативы этим изделиям в радиоэлектронных устройствах ВЧ- и СВЧ-диапазонов.

Рисунок – МЭМС-переключатель в различных конфигурациях

Таблица. Рабочие характеристики МЭМС-переключателя.

Латеральный размер, мкм²	100х100	Коммутируемая мощность, мВт	< 25
Управляющее напряжение, В	12 – 45	Диапазон частот, ГГц	0 – 6
Время срабатывания, мкс	15	Число циклов коммутации	> 5×10⁴

Уваров И.В., Марухин Н.В., Шлепаков П.С., Лукичев В.Ф. Микроэлектроника, 2020, Том 49, № 4, С. 271-280.
Uvarov I.V., Selyukov R.V., Naumov V.V. Microsystem Technologies, 2020, Vol. 26, P. 1971-1980.
Uvarov I.V., Marukhin N.V., Naumov V.V. Microsystem Technologies, 2019, Vol. 25, P. 4135-4141.
Uvarov I.V., Kupriyanov A.N. Microsystem Technologies, 2019, Vol. 25, P. 3243-3251.
Уваров И.В., Куприянов А.Н. Микроэлектроника, 2018, Том 47, № 5, С. 30-37.
Uvarov I.V., Naumov V.V., Koroleva O.M., Vaganova E.I., Amirov I.I. Proceedings of SPIE, 2016, Vol. 10224, 102241A.
Уваров И.В., Наумов В.В., Королева О.М., Ваганова Е.И., Амиров И.И. Нано- и микросистемная техника, 2016, Том 18, № 9, С. 582-588.

Структуры кремний-на-ферроэлектрике (SOF) для новой элементной базы ИС на основе двухзатворных сегнетоэлектрических транзисторов 2G FDSOI NCFET (FeFETs) (совместно с ИФП СО РАН)

Авторы от ФТИАН им. К.А. Валиева РАН: А.В. Мяконьких, К.В. Руденко

Сегнетоэлектрический транзистор FeFET, в котором одновременно реализуются функции логики и памяти состояния, аналогично биологическим нейронам является кандидатом для организации эффективных нейроморфных вычислений и реализации нейронных сетей на новых принципах. Показана приборная структура и выходная характеристика двухзатворного FeFET, использующего захороненный сегнетоэлектрический слой с отдельным управляющим затвором.

В измерениях в режиме псевдо-FET изготовленные структуры SOF демонстрируют плотность ловушек Dit < 1012 см-2 и сегнетоэлектрический гистерезис (окно памяти) MW ~ 1 В при коэрцитивных электрических полях < 104 В/см.

State Electron., vol. 159, pp. 63-70, (2019).
EUROSOI-ULIS, Grenoble, France, 2019, pp. 1-4, doi: 10.1109/EUROSOI-ULIS45800.2019.9041896

Твердотельные тонкопленочные литий-ионные аккумуляторы

Основные авторы разработки: Рудый А.С., Мироненко А.А., Наумов В.В.

Область применения: производство смарт-карт и RFID-меток

Разработана лабораторная технология изготовления полностью твердотельных тонкопленочных литий-ионных аккумуляторов (ТТЛИА) электрохимической системы LiCoO2 – LiPON -Si@ O@ Al. Структура аккумулятора изображена на рис. 1. Аккумуляторы изготавливались методом магнетронного распыления на установке SCR 651 Tetra производства Alcatel. Испытания аккумуляторов проводились методом гальваностатического циклирования на установке АЗРИВК 0,05А-6В производства ООО

«АК Бустер» и гальваностате-потенциостате P-20×8. На рисунке 2 показан скол одного из промежуточных вариантов ТТЛИА и зарядно-разрядные кривые макета ТТЛИА.

По разработанной технологии в рамках договора ЯФ ФТИАН им. К.А. Валиева РАН с НИИТМ на выполнение НИР по теме: «Выбор электрохимической системы, разработка лабораторной технологии изготовления и изготовление макетных образцов твердотельного тонкоплёночного литий-ионного аккумулятора» от 2 сентября 2020 г. изготовлены макеты ТТЛИА (рис. 3) для RFID-меток.

Чувствительный элемент микродатчика направления звуковой волны

Авторы: И.И. Амиров, В.В. Наумов

Разработана технология и изготовлен чувствительный элемент микродатчика направления звуковой волны (МДНЗВ), предназначенный для определения направления источника звука. Он применяется в промышленности, военных разработках, системах безопасности и других приложениях. Датчик изготовлен с использованием технологии микросистемной техники на основе процесса глубокого травления кремния. Основой чувствительного элемента микродатчика являются вывешенные платиновые нити толщиной менее 100 нм.

Разработаны конструкции чувствительного элемента МДНЗВ с двумя и тремя Pt нитями c расстояниями между ними 50, 100 и 150 мкм, длина нитей 1000 и 1400 мкм, в том числе совмещенных датчиков для определения направления звука по двум ортогональным направлениям. Изготовлены протипы датчиков МДНЗВ и измерены их статические характеристики.

Разработка проводилась в рамках договора с АО «НИИ «Вектор» (С-Петербург).