Мы продолжаем рассказывать о различных химических веществах, их применении в электронике и, разумеется, патентом аспекте. На этот раз речь пойдет о нитевидных нанокристаллах, нанопроводах и наностерженьках в полупроводниковых изделиях.
Что это такое?
В последние десятилетия в мире наблюдается всплеск исследовательского интереса к нитевидным нанокристаллам (ННК), причем количество публикаций в этой области удваивается примерно каждые два года. Специфическая анизотропная форма с очень большим характеристическим отношением длина/диаметр, высочайшее структурное совершенство и практически идеальная поверхность ННК придает им целый ряд уникальных физических свойств.
Бум исследовательского интереса к ННК полупроводников связан с перспективами создания на их основе бездислокационных ненапряженных гетероструктур, которые могут быть использованы в различных приборных приложениях: одноэлектронных устройствах, многоканальных полевых транзисторах с оболочковым затвором, обладающих рекордно низким энергопотреблением и практическим отсутствием токов утечки, эмиттерах с холодной эмиссией электронов, модулях оперативной памяти с терабайтной плотностью записи информации, высокоострийных кантилеверах для зондовой микроскопии и др.
Нитевидный кристалл (ус, вискер от англ. whisker) — монокристалл с высоким характеристическим отношением с типичным отношением длины (0,5 мм — 5 мм) к диаметру порядка 1000:1. Поперечное сечение кристаллов представляет собой многоугольник, форма которого (треугольник, шестиугольник, квадрат) зависит от строения кристаллической ячейки и направления оси роста. Обычно монокристаллики игловидной формы располагаются большими регулярными содружествами перпендикулярно подложке. Они напоминают щетинки зубной щётки, стерню с торчащими соломинками, модную мужскую щетину/бороду, усы. Для пользы дела их можно отделить от «мамы» и применять самостоятельно.
В российской электронике практически устоялось понятие «нитевидный нанокристалл» или ННК.
В англоязычной профессиональной литературе помимо whisker ещё используют выражение 1D (то есть одномерное полупроводниковое образование, квазиодномерный полупроводниковый элемент) и слово nanowire.
Последние годы в мире активизировалась разработка и инновационный дизайн принципиально новых наноматериалов для приборов и устройств нанофотоники на основе III-V нитевидных нанокристаллов (ННК) на подложках кремния. Переход к таким наноматериалам позволит решить важнейшую задачу интеграции фотонных и электронных компонентов на едином кремниевом чипе. Это позволит, в частности, кардинально уменьшить весогабаритные характеристики приборов персональной электроники и Интернета, повысить быстродействие телекоммуникационных линий связи, уменьшить глобальное энергопотребление, а также создавать новые наногетероструктуры с рекордно низкой плотностью дефектов и практически неограниченными возможностями по инженерии зонной структуры путем совмещения различных материалов в тройных твердых растворах. Такие возможности обусловлены уникальными свойствами ННК, связанными с бездислокационными механизмами релаксации упругих напряжений и подавлением сегрегации в системах с большим рассогласованием решеток (InGaAs и InGaN), что невозможно в планарных системах.
Рынок
Согласно маркетинговому исследованию Nanowires Market Report by Type (Metal Nanowires, Semiconductor Nanowires, Oxide Nanowires, Multi-Segment Nanowires, Semiconductor Quantum Wires), Application (Consumer Electronics, Chemical and Biological Sensors, Solar Cells, and Others), and Region 2024-2032 сформировались три основных сектора массового применения:
-
Бытовая электроника;
-
Химические и биологические сенсоры;
-
Солнечные элементы.
Глобальный рынок составил $404,5 млн в 2023 г. и, по прогнозу IMARC Group, достигнет $ 1721,7 млн в 2032 г., демонстрируя темп роста (CAGR) 17,46% в период 2024-2032 гг.
Растущий спрос на миниатюризацию в электронике и автоматике является главным фактором. Широкое применение их для создания портативных устройств, таких как смартфоны и планшеты, дает конкурентное преимущество на рынке. Второе: растущее использование нанопроводов в автомобильной промышленности в связи с модным переходом к электромобилям (EV) и более интеллектуальным и взаимосвязанным системам, требующим компактных и эффективных компонентов, является дополнительным драйвером рынка. Кроме того, растущая популярность нанопроводов из-за их использования в батареях с более высокой плотностью энергии и в датчиках, способных выдерживать суровые условия эксплуатации, педалирует интерес к ним.
По мнению аналитиков, в настоящее время лидируют металлические нанопроволоки, содержащих такие материалы, как золото, серебро и платина, поскольку они обладают высокой электропроводностью и химической стойкостью. Их используют в сенсорных экранах, гибких дисплеях и органических светодиодах (OLED). Кроме того, металлические нанопроволоки незаменимы при изготовлении высокоэффективных сенсоров, в том числе химических и биосенсоров. Прочные механические свойства металлических нанопроволок делают их пригодными для применения в нанокомпозитах, повышая структурную целостность и другие характеристики получаемых материалов. Кроме того, наблюдается применение металлических нанопроволок в технологиях накопления и преобразования энергии, таких как литий-ионные аккумуляторы и топливные элементы, где их проводящие свойства повышают эффективность и общую производительность этих устройств.
В аспекте коммерческого применения ННД передовые позиции в мире заняли компании ACS Materials LLC, Alfa Chemistry, American Elements, Innova Dynamics, NanoCompisix, NanoTechLabs, Novarials, OneD Battery Sciences.
Мировые патенты
На портале Google.Patents по термину whisker H01L на ноябрь 2024 г. имеется 12460 патентов. В общее число вошли и патенты по использованию усов/вискеров как наполнители полимерных материалов полупроводниковых приборов с целью упрочнения и облегчения механических компонентов. Рейтинг ТОП-5 патентообладателей такой:
-
Samsung Electronics Co., Ltd. — 4,2%;
-
Infineon Technologies Ag — 1,4%
-
Nanya Technology Corporation — 1,4%.
По термину nanowire H01L 73928 документов. ТОП-5 лидеров:
-
Samsung Electronics Co., Ltd. — 3,6%;
-
Intel Corporation — 3%;
-
Monolithic 3D Inc. — 1,9%.
С большим отрывом от конкурентов в обоих рейтингах лидирует TSMC. За ней следуют другие не менее известные IT-компании.
Динамика патентования представлена на рис. 1.
Рисунок 1: Динамика мирового патентования изобретений в области ННК для полупроводниковых устройств, условные ед.
Видно, что активность патентования выросла за последние 20 лет почти на порядок математических величин.
Патенты РФ
В базе ФИПС по терминам числится патентов, ед.:
-
вискерс — 1 (получение углеродных волокон и волокон- вискерсов в электрическом однородном поле при лазерном воздействии на различные мишени);
-
нанопроволока — 39;
-
нитевидные кристаллы — 62.
В разделе «электричество» по термину нитевидные кристаллы всего 12 патентов РФ на изобретения, причем к электронике по МПК H01L относится 4 ед., все недействующие или приостановленные из-за неуплаты пошлины. Пример — изобретение №2517924 (2014) Полупроводниковый фотопреобразователь (патентообладатель Воронежский государственный технический университет) относится к фотоэлектрическим преобразователям (ФП) для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую энергию.
По термину нитевидные нанокристаллы имеется 7 патентов РФ на изобретения по МПК H01L, из которых 3 действующие:
№2731498 Способ получения функционального трехмерного компонента оптоэлектронного прибора и функциональный трехмерный компонент оптоэлектронного прибора, Санкт-Петербургский национальный исследовательский Академический университет имени Ж.И. Алферова Российской академии наук.
№2781531 Функциональный элемент квантового излучателя, Санкт-Петербургский национальный исследовательский Академический университет имени Ж.И. Алферова Российской академии наук.
№2793120 Эластичная светодиодная матрица, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого.
Заявок на изобретения в 2024 году не было вовсе.
Патентов на полезные модели по теме «нитевидные нанокристаллы» 4 ед., например, №199472 Фотосенсор на основе гибкой мембраны с нитевидными нанокристаллами, Национальный исследовательский университет ИТМО.
В разделе «электричество» по термину нанопроволока 15 патентов РФ на изобретения, причем по полупроводниковым приборам по МПК H01L 10 ед., из которых только 3 действующие:
-
№2478239 Способ формирования проводящего элемента нанометрового размера, ОАО «Концерн «Созвездие» (Воронеж);
-
№2618606 Способ создания регенерируемого биосенсора на основе комплекса фотонного кристалла с аффинными молекулами, МИФИ;
-
№2624836 Способ формирования массива ферромагнитных нанопроволок на ступенчатой поверхности полупроводниковых подложек с буферным слоем меди, Дальневосточный федеральный университет (Владивосток).
Недействующие патенты принадлежат Институт физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук (Новосибирск), Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН (Владивосток).
Интересен недействующий иностранный патент от 2014 года №2515969 (владельцы — члены правления Университета Калифорнии, США) Наноструктуры с высокими термоэлектрическими свойствами. Он перестал действовать из-за неуплаты пошлины в 2022 г. после начала СВО на Украине. Суть: предложена одномерная (1D) или двумерная (2D) наноструктура, являющаяся нанопроволокой из кремния, полученной методом безэлектролизного травления или выращенной методом VLS (пар-жидкость-кристалл).
Технический результат — предложенная наноструктура может быть размещена между двумя электродами и эффективно использована для термоэлектрического генерирования мощности или для термоэлектрического охлаждения.
Патентов РФ на полезные модели по термину нанопроволока в разделе «электричество» 3 патента, из них только один действующий: №223220 Биосенсор для индикации биологических частиц, Государственный научный центр вирусологии и биотехнологии «Вектор» (Новосибирская обл.).
Баз данных нет.
Топологий интегральных схем нет.
Зато нашлось 6 программ для ЭВМ:
|
№ |
Название |
|
Программа расчета спектра волн волоконного световода с металлической нанопроволокой в сердцевине |
|
|
Программа для последовательного измерения фототока в пикселях фоточувствительной матрицы |
|
|
Автоматизация измерений магнитотранспортных свойств 1D, 2D наноструктур |
|
|
Программа для расчета сопротивления и плотностей тока нитевидных нанокристаллов |
|
|
Программный комплекс квантово-механического моделирования электрофизических свойств нанокомпозитов |
|
|
Программа для оценки коэффициента прилипания молекул аналита к поверхности чувствительного элемента сенсора кислот и щелочей на основе кремниевых нанонитей |
С патентами в России не густо. Чего здесь больше: патентного нигилизма или реального отсутствия практической значимости в большинстве выполненных НИОКР?
Заключение
Идеологически нитевидные кристаллы как элементы полупроводниковых гетероструктур проработаны ещё Жоресом Алфёрововым с коллегами в конце XX века (он отмечен Нобелевской премией в 2000 г.). Его ученики успешно развивают данное научно-техническое направление. В разработках лидирует Питерская группа в составе ФТИ им. А. Ф. Иоффе, Института аналитического приборостроения РАН, Институт проблем машиноведения; и вузов (Алфёровский, Санкт-Петербургский государственный университет, ИТМО, Университет им. Петра Великого, Электротехнический и др.).
При этом действующих патентов мало. И иной раз их можно пересчитать по пальцам одной руки.
Из-за СВО свернулись с 2022 г. совместные проекты с западноевропейскими научными структурами, но активизировались контакты с Китаем. На это сотрудничество вся надежда. TSMC вряд ли в ближайшее время вряд ли лицензирует свои разработки. Впрочем, как и IBM.
Автор: ko_ya
