Поиск решений проблемы межсоединений в ультрабольших интегральных схемах (УБИС) является одной из актуальнейших задач микроэлектроники. Традиционные решения основаны на многоуровневой разводке соединений. В УБИС сетка соединений становится чрезвычайно сложной – от нескольких уровней в начале 2000-х (рис.) до многих десятков уровней в настоящее время. В результате общая длина проводников в микросхеме процессора может доходить до 100 км. Это ограничивает рост производительности процессоров, снижает надежность и повышает стоимость интегральных схем.

Вертикальный разрез структуры чипа с пятиуровневой разводкой соединений, начало 2000-х годов, Original file. Линия front-end отделяет нижний уровень с транзисторами, резисторами и др. (FEOL – front-end-of-the-line) от верхнего уровня микросхемы с разводкой межсоединений (BEOL – back-end-of-the-line).

В качестве перспективного способа решения проблемы активно исследуется возможность перехода от металлических к оптическим межсоединениям верхнего уровня УБИС, что позволит исключить перекрестные помехи, многократно повысить скорость передачи данных.

Основные элементы оптики-на-кристалле те же, что и в волоконно-оптических линиях связи: излучатель, модулятор, оптический канал, фотоприемник, демодулятор. При этом разнообразие возникающих технических задач весьма велико, так как, в отличие от известных волоконно-оптических систем, при разработке элементов оптики-на-кристалле необходимо создавать миниатюрные устройства, совместимые с технологиями УБИС. Решение ряда задач требует фундаментальных подходов по поиску новых принципов функционирования таких приборов и разработке новых материалов для их реализации.

Задачей проекта РФФИ «Магнитооптические пленки и пленочные наноструктуры для интегрально-оптических невзаимных устройств верхнего уровня УБИС» является разработка, изготовление и исследование магнитооптических пленок и пленочных наноструктур для невзаимных устройств оптики-на-кристалле – оптических изоляторов, циркуляторов, интерферометров Маха-Цандера. В оптике такие невзаимные устройства, как изоляторы, являются аналогами диода – они пропускают световой сигнал только в одном направлении. Это необходимо, например, для защиты источников сигнала от обратного отражения и для выполнения ряда других функций в оптических цепях.

Основные полученные в проекте результаты относятся к исследованию статических и динамических свойств ферритов со структурой граната. Такие материалы в виде тонких пленок и в составе гетероструктур рассматриваются как наиболее перспективные магнитооптические материалы для невзаимных устройств оптики-на-кристалле. Это обусловлено рекордными величинами вращения плоскости поляризации света (эффекта Фарадея) в ферритах-гранатах, легированных висмутом или церием. Другой привлекательный момент – возможности вариации свойств ферритов-гранатов благодаря большой кристаллической ячейке (160 атомов). Задача получения магнитооптического материала, соответствующего требованиям микроэлектроники к элементам оптики-на-кристалле (нанометровые толщины пленок, совместимость с кремниевыми технологиями, термостабильность и др.) сложна и является предметом активного поиска во многих исследовательских центрах.

Ряд полученных при выполнении проекта результатов относится к вопросам управления невзаимными устройствами и поиску оптимального диапазона длин волн для функционирования устройств оптики-на-кристалле. В отличие от волоконно-оптических линий связи, где диапазон длин волн (~1,55 мкм) определяется минимальными оптическими потерями для обеспечения распространения света на многие километры, в оптике-на-кристалле расстояния измеряются миллиметрами и на первый план выступают требования миниатюрности и термостабильности. Перспективным диапазоном для оптики-на-кристалле может выступать терагерцевый диапазон, так как в масштабах микросхемы распространение терагерцовых сигналов вполне возможно. Управляемая генерация терагерцевых колебаний в магнитных наноструктурах открывает перспективы повышения быстродействия процессоров на несколько порядков, вплоть до рабочих частот в десятки терагерц.

В целом полученные при выполнении проекта результаты способствуют развитию физических основ технологии оптических межсоединений верхнего уровня в ультрабольших интегральных схемах.

Руководитель проекта – д.ф.м.-н., профессор Логунов Михаил Владимирович.

E-mail logunov@cplire.ru, тел. +7 (495) 629-34-65.

Публикации по тематике проекта

1. Е.А. Вилков, Г.М. Михайлов, С.А. Никитов, А.Р. Сафин, М.В. Логунов, V.N. Korenivskii, С.Г. Чигарев, Л.А. Фомин. Динамика пространственно неоднородной спиновой поляризации неравновесных электронов проводимости в магнитных переходах, ФТТ 61, 1021 (2019).

2. P. Stremoukhov, A. Safin, M. Logunov, S. Nikitov, and A. Kirilyuk, Spintronic terahertz-frequency nonlinear emitter based on the canted antiferromagnet-platinum bilayers, J. Appl. Phys. 125, 223903 (2019).

3. М.В. Логунов, С.А. Никитов, А.И. Стогний, С.С. Сафонов, А.Г. Темирязев. Эволюция петель гистерезиса плёнок ферритов-гранатов при глубоком послойном травлении, Известия РАН. Серия физическая 83, 950 (2019).

4. Е.А. Вилков, С.А. Никитов, М.В. Логунов, С.Г. Чигарев. Спиновая поляризация неравновесных электронов проводимости в магнитных переходах. Радиотехника и электроника 64, 1228 (2019).

5. М.В. Логунов, С.А. Никитов, А.Г. Темирязев, М.П. Темирязева, С. Джордано, Т. Матурин, Я. Душч, Н. Тиерцелин, Ф. Перно. Равновесное распределение намагниченности и процессы перемагничивания в магнитоупругих наноструктурах. Известия РАН. Серия физическая 84, 251 (2020).

6. С.В. Овчаренко, М.С. Гапонов, Н.А. Ильин, М.В. Логунов, Anhua Wu, Е.Д. Мишина. Лазерно-индуцированная спиновая динамика в пленке железо-иттриевого граната, легированного ионами Si. Российский технологический журнал 8, 58-66 (2020).

7. А.Р. Сафин, С.А. Никитов, А.И. Кирилюк, Д.В. Калябин, А.В. Садовников, П.А. Стремоухов, М.В. Логунов, П.А. Попов, Возбуждение терагерцовых магнонов в антиферромагнитных наноструктурах: теория и эксперимент, ЖЭТФ 158, 1(7), 85–99 (2020).

8. С.А. Никитов, А.Р. Сафин, Д.В. Калябин, А.В. Садовников, Е.Н. Бегинин, М.В. Логунов, М.А. Морозова, С.А. Одинцов, С.А. Осокин, А.Ю. Шараевская, Ю.П. Шараевский, Диэлектрическая магноника - от гигагерцев к терагерцам. УФН 190, 1009-1040 (2020).

9. M. V. Logunov, S. S. Safonov, A. S. Fedorov, A. A. Danilova, N. V. Moiseev, A. R. Safin, S. A. Nikitov, and A. Kirilyuk. Domain wall motion across magnetic and spin compensation points in magnetic garnets, Phys. Rev. Appl. 15, 064024 (2021).

10. T. G. H. Blank, K. A. Grishunin, E. A. Mashkovich, M. V. Logunov, A. K. Zvezdin, and A. V. Kimel, THz-scale field-induced spin dynamics in ferrimagnetic iron garnets, Phys. Rev. Lett. 127, 037203 (2021).

11. Логунов М. В., Никитов С. А. Доменные границы и скирмионы как элементы нейро-морфных устройств // Наноиндустрия 14, 652 (2021).

12. I. A. Dolgikh, F. Formisano, K.H. Prabhakara, M.V. Logunov, A. K. Zvezdin, P.C.M. Chris-tianen and A. V. Kimel, Spin Dynamics Driven by Ultrafast Laser-induced Heating of Iron Garnet in High Magnetic Fields, Appl. Phys. Lett. 120, 012401 (2022).

13. E. Vilkov, O. Byshevski-Konopko, P. Stremoukhov, A. Safin, M. Logunov, D. Kalyabin, S. Nikitov, A. Kirilyuk, Magnetic domain wall motion driven by an acoustic wave, Ultrasonics 119, 106588 (2022).

14. Yu. B. Kudasov, M. V. Logunov, R. V. Kozabaranov, I. V. Makarov, V. V. Platonov, O. M. Surdin, D. A. Maslov, A. S. Korshunov, I. S. Strelkov, A. I. Stognij, V. D. Selemir, and S. A. Nikitov, Giant widening of interface magnetic layer in almost compensated iron garnet, Appl. Phys. Lett. 120, 122403 (2022).

Научно-популярная публикация «Спинтроника может снизить энергопотребление компьютеров в тысячи раз». http://www.ras.ru/news/shownews.aspx?id=a8ff54fb-7d25-442e-a118-0b0795418012#content (15.03.2022).

Участие в научных мероприятиях по тематике проекта

1. XXIII Международный симпозиум «Нанофизика и наноэлектроника», 11–14 марта 2019, Н. Новгород, http://nanosymp.ru/en/index. Устный доклад «Высокоскоростная динамика доменных границ в магнитных материалах», М.В. Логунов. Стендовый доклад «Статические и динамические петли гистерезиса магнитных пленок и гетероструктур», М.В. Логунов, С.А. Никитов, С.С. Сафонов, А.С. Ильин, А.И. Стогний, А.Г. Темирязев.

2. Заседание Научного совета РАН «Фундаментальные проблемы элементной базы информационно-вычислительных и управляющих систем и материалов для ее создания» и научного семинара по теме «Системы металлизации», 27 марта 2019, Москва, https://www.niime.ru/press-center/news/767-nauchnyy-sovet-i-nauchnyy-seminar-sistemy-metallizatsii-proshli-v-mirea/. Устный доклад «Магнитооптические пленки и пленочные наноструктуры для интегрально-оптических невзаимных устройств верхнего уровня УБИС», М.В. Логунов, С.А. Никитов.

3. XVII Всероссийская школа-семинар «Физика и применение микроволн» имени А.П. Сухорукова («Волны-2019»), 26–31 мая 2019, Москва, http://waves.phys.msu.ru/index.html. Устный доклад «Равновесное распределение намагниченности и процессы перемагничивания в магнитоупругих наноструктурах», М.В. Логунов, С.А. Никитов, А.Г. Темирязев, М.П. Темирязева, S. Giordano, N. Tiercelin, P. Pernod.

4. Российская конференция и школа молодых ученых по актуальным проблемам полупроводниковой фотоэлектроники ФОТОНИКА 2019, 27-31 мая 2019, Новосибирск, http:/www.isp.nsc.ru/photonics2019. Устный доклад «Неравновесные спиновые состояния и генерация терагерцового излучения в магнитных гетероструктурах», Е.А. Вилков, М.В. Логунов, С.А. Никитов, С.С. Сафонов, С.Г. Чигарев.

5. 17th Magnetics and Optics Research International Symposium (MORIS 2019), 23-26 июня 2019, Прага, Чехия, https://moris2019.org. Устный доклад «Precision deep layer-by-layer etching of Bi-YIG films», M.V. Logunov, S.A. Nikitov, A.I. Stognii, S.S. Safonov, A.S. Il’in, and A.G. Temiryazev.

6. 10th Joint European Magnetic Symposia (JEMS2019), 26–30 августа 2019, Уппсала, Швеция, https://jems2019.se. Устный доклад «Nanoscale domain-wall dynamics in garnet films induced by a single laser pulse», Mikhail Logunov, Mikhail Gerasimov, Sergey Ilin, Sergey Safonov, Alexandr Spirin, Yannick Dusch, Philippe Pernod, Sergey Nikitov.

7. VII Euro-Asian Symposium “Trends in Magnetism” (EASTMAG-2019), 08–13 сентября 2019, Екатеринбург, http://eastmag2019.imp.uran.ru. Устный доклад «Thermal and non-thermal effects in laser-induced inertial domain-wall dynamics», M.V. Logunov, M.V. Gerasimov, S.V. Ilin, S.S. Safonov, A.V. Spirin, Yu.N. Nozdrin, I.D. Tokman, Y. Dusch, P. Pernod, and S.A. Nikitov.

8. 4th Ultrafast Magnetism Conference (UMC 2019), 14-17 октября 2019, Йорк, Великобритания, https://umc2019.york.ac.uk. Устный доклад «Measurements of nanoscale domain-wall dynamics», M V Logunov and S A Nikitov.

9. Международная конференция «Математическое моделирование в материаловедении электронных компонентов», 21–23 октября 2019, Москва, http://www.ccas.ru/kksitevc/conf2019/index.html. Устный доклад «Доменные границы в магнитоупругих гетероструктурах: моделирование и эксперимент», М.В. Логунов, С.А. Никитов, С.А. Осокин, А.Г. Темирязев, М.П. Темирязева, S. Giordano, T. Mathurin, Y. Dusch, N. Tiercelin, P. Pernod.

10. XXIV Международный симпозиум «Нанофизика и наноэлектроника», 10–13 марта 2020, Н. Новгород, http://www.nanosymp.ru/ru/index. Приглашенный доклад «Домены в наноструктурах с управляемыми магнитоупругими свойствами», М.В. Логунов. Стендовые доклады «МСМ исследование процессов перемагничивания микро- и наноструктур на основе многослойных пленок TbCo2/FeCo», М. П. Темирязева, М. В. Логунов, С. А. Никитов, С. С. Сафонов, А. Г. Темирязев, S. Giordano, T. Mathurin, Y. Dusch, N. Tiercelin, P. Pernod. «Механизмы переключения ячеек магнитооптического пространственно-временного модулятора света», А. А. Данилова, М. В. Логунов, С. А. Никитов, С. С. Сафонов, А. С. Федоров. «Эффекты влияния наведенной одноосной анизотропии в пленках железо-иттриевого граната (ЖИГ) с примесями кремния на параметры затухания спиновой прецессии, возбужденной фемтосекундным лазерным излучением», С. В. Овчаренко, М. С. Гапонов, М. В. Логунов, Е. Д. Мишина.

11. The International Magnetics Conference (INTERMAG 2020), 4-8 мая 2020, Монреаль, Канада, www.intermag2020.com. Устный доклад «Laser-Induced and Field-Driven Domain Wall Motion», Logunov, Mikhail; Gerasimov, Mikhail; Ilin, Sergey; Spirin, Aleksandr; Safonov, Sergey; Dusch, Yannick; Pernod, Philippe; Nikitov, Sergey.

12. Международный форум «Микроэлектроника-2020», 28 сентября – 3 октября 2020, Ялта, http://microelectronica.pro/nauchnaya-conferenciya/. Устный доклад «Магнитооптические материалы и наноструктуры для невзаимных компонентов нейроморфных систем», М. В. Логунов, С. С. Сафонов, А. C. Федоров, А. A. Данилова, В. А. Котов, А. И. Стогний, С. А. Никитов.

13. 63-я Всероссийская научная конференция Московского физико-технического института (МФТИ), 23–28 ноября 2020, Москва, https://conf63.mipt.ru/. Устные доклады «Коэрцитивная сила поликристаллических пленок ферритов-гранатов субмикронных толщин», С. С. Сафонов, А. С. Федоров, А. А. Данилова, А. И. Стогний, С. А. Никитов, М. В. Логунов. «Термостабильность порога переключения ячеек магнитооптического пространственно-временного модулятора света», А. А. Данилова, С. С. Сафонов, А. С. Федоров, С. А. Никитов, М. В. Логунов. «Циркулярный дихроизм и эффект Фарадея Bi- и Ce-содержащих пленок ферритов-гранатов», А. С. Федоров, С. С. Сафонов, А. А. Данилова, В. А. Котов, С. А. Никитов, М. В. Логунов.

14. Joint European Magnetic Symposia 2020 (JEMS2020), 7-11 декабря 2020, Лиссабон, Португалия, https://jems2020.com. Стендовый доклад «Domains and domain-walls control in magnetoelastic multilayers», M. V. Logunov, S. A. Nikitov, A. S. Fedorov, A. G. Temiryazev, M. P. Temiryazeva, S. Giordano, T. Mathurin, Y. Dusch, N. Tiercelin, and P. Pernod.

15. XXV Международный симпозиум «Нанофизика и наноэлектроника», 10–13 марта 2021, Н. Новгород, http://www.nanosymp.ru/ru/index. Стендовый доклад «Свойства тонких магнитооптических пленок ферритов-гранатов, выращенных на гранатовых и кремниевых подложках», С. С. Сафонов, А. С. Федоров, А. А. Данилова, А. И. Стогний, С. А. Никитов, М. В. Логунов.

16. Российский форум «Микроэлектроника-2021», 3–9 октября 2021, Алушта, http://microelectronica.pro/. Приглашенный доклад «Доменные границы и скирмионы как элементы нейроморфных», Логунов М. В., Никитов С. А.

17. International conference “Functional Materials” ICFM-2021, Alushta, Crimea, October 4 – 8, 2021. https://icfm-2021.ru. Устный доклад «Domain wall motion across magnetic and spin compensation points in ferrimagnets», Logunov M.V., Safonov S.S., Fedorov A.S., Fedorovа A.A., Moiseev N.V., Safin A.R., Nikitov S.A., and A. Kirilyuk.

18. 64-я Всероссийская научная конференция Московского физико-технического института (МФТИ), 29 ноября – 3 декабря 2021, Москва, https://conf.mipt.ru. Устные доклады «Эффект Фарадея и магнитный циркулярный дихроизм сверхтонких пленок ферритов-гранатов», А.С. Федоров, С.С. Сафонов, А.А. Федорова, В.Д. Неретин, В.А. Котов, А.И. Стогний, С.А. Никитов, А.И. Кирилюк, М.В. Логунов. «Регистрация и обработка магнитооптических сигналов при исследовании сверхбыстрых процессов», С.С. Сафонов, А.С. Федоров, С.А. Никитов, М.В. Логунов, А.И. Кирилюк.

19. 2022 Joint MMM-Intermag Conference, New Orleans, LA, January 10-14, 2022, www.magnetism.org. Устный доклад «Domain wall dynamics across magnetic and spin compensation points in ferrimagnets», M. V. Logunov, S. S. Safonov, A. S. Fedorov, A. A. Fedorovа, N. V. Moiseev, A. R. Safin, S. A. Nikitov, and A. Kirilyuk.

20. Совместное заседание Научного совета ОНИТ РАН «Фундаментальные проблемы элементной базы информационно-вычислительных и управляющих систем и материалов для ее создания» и Научного совета ОНИТ РАН «Фундаментальные проблемы наноструктур и нанотехнологий», 17 февраля 2022, Москва, https://www.niime.ru/science/909-nauch-sovet-ran/. Устный доклад «Нейроморфные системы и энергонезависимая память на базе спиновых текстур», М. В. Логунов, С. А. Никитов, А. И. Кирилюк.

21. XXVI Международный симпозиум «Нанофизика и наноэлектроника», 14–17 марта 2022, Н. Новгород, http://www.nanosymp.ru/ru/index. Устный доклад «Неоднородная намагниченность тонкой плёнки феррита-граната вблизи точки компенсации, индуцированная поверхностной анизотропией». Ю. Б. Кудасов, М. В. Логунов, Р. В. Козабаранов, И. В. Макаров, В. В. Платонов, О. М. Сурдин, Д. А. Маслов, А. С. Коршунов, И. С. Стрелков, А. И. Стогний, В. Д. Селемир, С. А. Никитов.