Полупроводники со смещенным (модифицированным) изотопным составом: патентный анализ

Кремний — химический элемент IV группы Периодической таблицы, имеет 24 изотопа. Природный кремний представляет собой смесь трех стабильных изотопов: кремний-28 (92,254%), кремний-29 (4,672%) и кремний-30 (3,074%). Как известно, примерно 90% выпускаемых полупроводниковых приборов изготавливаются на основе кремния. Развитие электроники требует дальнейшей миниатюризации элементов микросхем и повышения тактовой частоты их работы, а также улучшения характеристик силовых полупроводниковых приборов. 

Решению этих задач препятствует ряд фундаментальных и технических проблем, среди которых проблемы отвода тепла с микросхемы. Одним из возможных путей решения этой проблемы является использование кремния, в котором содержание изотопа кремний-28 повышено относительно природного значения. Кристаллы, содержащие только кремний-28, имеют более совершенную кристаллическую решетку. Это дает ряд потенциальных преимуществ такого кремния перед природным, в частности позволяет увеличить плотность и быстродействие электронных цепей. 

Также в мире ведётся изучение свойств около 20 изотопно-модифицированных кристаллов (полупроводниковых, лазерных, оптических, пьезоэлектрических, пироэлектрических) в электронике, датчиках и других высокотехнологичных областях. Используются изотопы бор-11, углерод-13, цинк-64, германий-90 и другие. О них, а вернее, о патентом аспекте, мы и сегодня и расскажем.

Патенты на изотопы

На портале Google.Patents поиск по запросу isotope-modified semiconductor показывает более 55 000 документов. По международной патентной классификации лидируют следующие темы:

• полупроводниковые приборы H01L ^[1] — 21,1%;

• исследование или анализ материалов путем определения их химических или физических свойств G01N ^[2] — 20,3%;

• лекарства и медикаменты A61K ^[3] — 14,3%;

• использование наноструктур B82Y ^[3] — 10,3%;

• Способы измерения или испытания, использующие ферменты или микроорганизмы; составы или индикаторная бумага для них; способы получения подобных составов C12Q ^[3] — 9,3%.

  Видно, что полупроводниковые приборы лидируют, что ожидаемо.

Мы провели специальный поиск по запросу (isotope-modified) (H01L). Всего выявлено 5358 документов. Динамика по годам представлена на рис. 1.

Рисунок 1: Динамика мирового патентования изобретений на тему изотопно модифицированных полупроводников (isotope-modified) (H01L) в 1992-2025 гг.

Видно, что последние 30 лет темпы патентования изобретений по нашей тематике шли по нарастающей. Среди патентообладателей лидирует знаменитая Taiwan Semiconductor Manufacturing Co.; на втором месте известная Semiconductor Energy Laboratory Co. Рейтинг компаний по количества патентов следующий:

1. Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. ^[4] — 14%;

2. Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. ^[5] — 3,2%;

3. Samsung Electronics Co., Ltd. ^[6] — 2,5%;

4. International Business Machines Corporation ^[7] — 2%;

5. Micron Technology, Inc. ^[6] — 1,6%.

   По запросу Isotopically enriched semiconductor Гугл показывает более 11 тыс. документов. По международной патентной классификации лидируют следующие темы:

• полупроводниковые приборы H01L ^[8] — 12,8%;

• исследование или анализ материалов путем определения их химических или физических свойств G01N ^[9] — 10,8%;

• использование наноструктур B82Y ^[9] — 9,6%;

• лекарства и медикаменты A61K ^[9] — 8,9%.

Мы провели специальный поиск по запросу (Isotopically enriched semiconductor) (H01L). Всего выявлено 5358 документов. Динамика по годам представлена на рис. 2.

Рисунок 2: Динамика мирового патентования изобретений на тему изотопно обогащенных полупроводников в 1992-2025 гг.

Видно, что последние 20 лет темпы патентования изобретений по этой тематике шли нарастающим темпом (учитывая, что 2025 год ещё не закончился). Рейтинг компаний по количеству патентов следующий:

1. Intel Corporation ^[10] — 3,7%;

2. Atom Computing Inc. ^[11] — 1,7%;

3. Monolithic 3D Inc. ^[12] — 1,5%;

4. Kyulux, Inc. ^[13] — 1,3%;

5. King Fahd University Of Petroleum And Minerals ^[14] — 1,1%;

6. International Business Machines Corporation ^[15] — 1%;

7. Entegris, Inc. ^[9] — 1%.

Как видите, этот рейтинг сильно отличается от предыдущего по составу участников.

А что в российских базах данных? 

На Яндекс.Патент выдает 2636 документа по запросу изотопы для электроники за период 1952-2023 гг. с пиком 179 ед. в 2015 г. и 641 документа за 1955-2023 гг. по запросу изотопы полупроводники с пиком 40 ед. в том же 2015 г. Однако ИИ Яндекса даёт много информационного шума, например полупроводниковые приборы контролируют процессы разделения изотопов урана для атомной энергетики; электроника применяется при использовании медицинских изотопов для лечения онкологических заболеваний.

В базе ФИПС в рефератах на изобретения РФ по запросу Изотоп 1101 патент на изобретения, из которых только 17 ед. относятся к подклассу МПК H01L, причём 7 ед. действующие. Примеры патентов РФ по теме изотопов в полупроводниковых устройствах: 

• №2599274 ^[16] (2016) Планарный преобразователь ионизирующих излучений и способ его изготовления. Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС". Изобретение относится к области преобразователей энергии ионизирующих излучений в электрическую энергию на основе бета-вольтаического эффекта. 

• №2608311 ^[17] (2017) Преобразователь оптических и радиационных излучений и способ его изготовления. Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС". Изобретение модифицирует предыдущий патент.

• №2693786 ^[18] (2019) Способ получения особочистого высокообогащенного изотопа кремний-28. АО "Производственное объединение "Электрохимический завод" (Зеленогорск). Изотоп может быть использован в микроэлектронике, фундаментальных научных исследованиях и других областях. Способ осуществляют в каскаде газовых центрифуг. 

• №2714690 ^[19] (2020) Устройство генерирования электрического тока посредством преобразования энергии радиохимического бета-распада С-14. ООО "БетаВольтаика" (Самара). В качестве полупроводниковой структуры использована гетероструктура карбида кремния на подложке монокристаллического кремния, причем в молекулярную форму карбида кремния входит радиоизотоп углерод-14.

В базе ФИПС на патенты РФ на полезные модели по теме изотопов в подклассе МПК H01L только один документ: №179476 ^[20] (2018) Устройство для преобразования энергии бета-излучения в электроэнергию. АО "Радиевый институт им. В.Г. Хлопина" (Санкт-Петербург). Устройство содержит монокристаллическую кремниевую подложку, диодную структуру, радиоактивный источник, при этом кремниевая подложка выполнена в виде мембраны из эпитаксиального слоя, а радиоактивный источник располагается на поверхности мембраны с двух сторон.

Баз данных напрямую касающихся нашей темы нет. Но есть вспомогательная база №2025620758 ^[21]. Это справочник изотопов и химических элементов ГК «Росатом».

Имеется 2 программы для ЭВМ:

• №2016611535 ^[22] Расчет треков и ионизационных потерь энергии бета-электронов излучения изотопа никель-63 в кремнии с использованием моделей физики низких энергий и инструментария GEANT4. Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М.Ф. Решетнева. Распространение излучения идёт в кремнии, используются модели физики низких энергий (до 16,7 эВ). Программа для ЭВМ создана по государственному контракту.

• №2021610896 ^[23] Библиотека радионуклидов. МИФИ. Программа предназначена для получения и хранения информации об основных характеристиках радиоактивных изотопов.

Топологий интегральных схем с изотопами нет.

Заключение

В России производство стабильных и радиоактивных изотопов на высочайшем техническом уровне освоено на предприятиях ГК «Росатом», причём существенные количества отправляются на экспорт, в том числе в недружественные страны, например, в США. Накоплен значительный опыт по выделению изотопов кремния-28. Однако применение изотопно-обогащенных полупроводников собственно в микроэлектронике развито слабо. 

Большинство российских патентов касаются преобразования энергии распада радиоизотопов в электрическую энергию с помощью полупроводниковых структур, в том числе для питания полупроводниковых приборов медицинского назначения и для космических устройств.