Основные направления функциональной микроэлектроники

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Кафедра ЭВС

РЕФЕРАТ

На тему:

"ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ"

МИНСК, 2008

Современная микроэлектроника базируется на интеграции дискретных элементов электронной техники, при которой каждый элемент схемы формируется отдельно в полупроводниковом кристалле. При этом в основе создания, ИМС лежит принцип элементной (технологической) интеграции, сопровождающейся микроминиатюризацией элементов (активных и пассивных) микросхемы. В ИМС можно выделить области, представляющие собой активные (диоды, транзисторы) и пассивные (резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности) элементы. В интегральной микроэлектронике сохраняется главный принцип дискретной электроники, основанной на разработке электрической схемы по законам теории цепей. Этот принцип неизбежно связан с ростом числа элементов микросхемы, и межэлементных соединений по мере усложнения выполняемых ею функций.

Повышение степени интеграции микросхем и связанное с. этим уменьшение размеров элементов имеет определенные пределы. Интеграция свыше нескольких сотен тысяч элементов (в отдельных случаях и миллионов) на одном кристалле оказывается экономически нецелесообразной и технологически трудно выполнимой.

Сложными становятся проблемы топологии и теплоотвода. Поэтому в отдаленной перспективе интегральная микроэлектроника уже не будет полностью удовлетворять разработчиков сложной радиоэлектронной аппаратуры.

Функциональная микроэлектроника предполагает принципиально новый подход, позволяющий реализовать определенную функцию аппаратуры без применения стандартных базовых элементов, основываясь непосредственно на физических явлениях в твердом теле. В этом случае локальному объекту твердого тела придаются такие свойства, которые требуются для выполнения данной функции, и промежуточный этап представления желаемой функции в виде эквивалентной электрической схемы не требуется. Функциональные микросхемы могут выполняться не только на основе полупроводников, но и на основе таких материалов, как сверхпроводники, сегнетоэлектрики, материалы с. фотопроводящими свойствами и др. Для переработки информации можно использовать явления, не связанные с электропроводностью (например, оптические и магнитные явления в диэлектриках, закономерности распространения ультразвука и т.д.).

Таким образом, функциональная микроэлектроника охватывает вопросы получения специальных сред с наперед заданными свойствами и создания различных электронных устройств методом физической интеграции, т.е. использования таких физических принципов и явлений, реализация которых позволяет получить приборы со сложным схемотехническим или системотехническим функциональным назначением.

В функциональной микроэлектронике начинают использовать (рис.1):

 

Рис. 1. Основные направления функциональной микроэлектроники.

Оптические явления (когерентная и некогорентная оптика, нелинейная оптика, электрооптика, магнитооптика). Их свойства, связанные со свойствами светового потока, следующие:

·  зарядовая нейтральность, однонаправленность, отсутствие гальванических связей и электрических контактов;

·  двухмерность светового потока, а следовательно, возможность многоканальной обработки информации;

·  высокая несущая частота и, следовательно, большая полоса пропускания каналов обработки информации.

Эти особенности стали основой интенсивно развивающегося направления функциональной микроэлектроники - оптоэлектроники.

Физические явления, связанные с взаимодействием потока электронов с акустическими волнами в твердом теле. Такие явления, как генерация и усиление акустических воли потоком электронов, движущихся со сверхзвуковыми скоростями, обусловили появление нового направления функциональной микроэлектроники - акустоэлектроники. Особенность этих явлений заключается в малой скорости распространения акустических волн (1.105см/с) в отличие от электромагнитных волн (3.1010 см/с), что позволяет реализовать миниатюрные линии задержки, фильтры с заданными частотными свойствами, усилители СВЧ и др.

Преимущество этого направления состоит в том, что реализация заданной функции обеспечивается лишь выбором конфигурации устройства.

Новые магнитные материалы (слабые ферромагнетики и магнитные полупроводники), появление которых привело к созданию нового направления - магнетоэлектроники. Отличительной особенностью слабых ферромагнетиков является малая по сравнению с классическими магнитными материалами намагниченность насыщения. Это дает возможность управлять движением магнитных доменов, называемых пузырями, в двух и трех измерениях слабыми магнитными полями и осуществлять тем самым функции хранения, перемещения и обработки больших объемов информации.

Характерные размеры "пузырей", составлявших примерно 1 мкм, позволяют достичь, высокой плотности записи информации (1.108 бит/см2). Большое преимущество таких систем состоит в том, что хранение информации осуществляется без питания, а перемещение "пузырей" - малым рассеянием мощности. Ряд новых материалов - магнитных полупроводников, обладающих свойствами магнетиков и полупроводников, - позволяет создавать приборы с большой функциональной гибкостью.

Покоящиеся и движущиеся электрические неоднородности (домены и шнуры) в однородных полупроводниках. Их исследование стимулировало создание функциональных интегральных микросхем.

Так как в данном случае используется однородный материал, то реализация заданной функции может быть достигнута выбором соответствующей конфигурации устройства. Высокие скорости движения неоднородностей электрического поля (1.107 см/с) обусловливают высокое быстродействие (меньше 1.10-9 с), а также генерацию и усиление в диапазоне СВЧ.

Явления, связанные с изменением структуры конденсированных тел на молекулярном уровне. Они привели к возникновению нового направления - квантовой или молекулярной микроэлектроники. К этому направлению относятся фазовые переходы в твердых телах и жидких кристаллах, сопровождающихся резкими изменениями электрических, оптических и магнитных свойств. Обусловленная этим высокая чувствительность к внешним воздействиям позволяет легко, осуществлять ряд операций по управлению и преобразованию потоков информации в различных функциональных системах.

Интересными материалами с еще не вполне раскрытыми, перспективами использования их в микроэлектронике являются органические полупроводники.

Микроэлектронные устройства с использованием доменов обладают высокими функциональными возможностями.

Элементы на основе эффекта Ганна. Помимо генераторов и усилителей СВЧ они позволяют создавать такие функциональные устройства, как импульсно-кодовые модуляторы, компараторы, аналого-цифровые преобразователи, нейристорные линии задержки, полный ряд логических элементов, генераторы колебаний сложной формы, регистры сдвига и запоминающие устройства (ЗУ). На основе этих элементов могут быть созданы сверхбыстродействующие микросхемы (теоретически до 10-12 с), превосходящие по быстродействию лучшие кремниевые микросхемы, по крайней мере, на порядок при том же уровне рассеиваемой мощности.

Малогабаритные СВЧ-генераторы на диодах Ганна уже миновали стадию лабораторных разработок. Они обладают низким уровнем шумов (сравнимым с клистронами) и мощностью излучения, достаточной для использования в радиолокационных устройствах в диапазоне частот 1 - 80 ГГц. Такие: диоды в пролетном режиме генерации обеспечивают выходную мощность 20 - 350 мВт - в непрерывном режиме и.1 - 400 Вт - в импульсном режиме. В режиме ограниченного накопления объемного заряда диоды Ганна позволяют получать импульсную мощность 3 - 6 кВт на частоте 1,5 - 2 ГГц при к. п. д.10 - 20%.

Явления холодной эмиссии, которые позволили создать электровакуумные приборы в микроэлектронном исполнении с применением пленок. Обладая всеми преимуществами вакуумных приборов (высокие входные сопротивления, малые шумы), они характеризуются очень высокой радиационной стойкостью, весьма малыми размерами, высокими рабочими частотами.

Явления живой природы, в частности на молекулярном уровне, позволяющие использовать принципы хранения и обработки информации в живых системах для создания сверхсложных систем обработки информации, приближающихся по своим функциональны; возможностям к человеческому мозгу (искусственный интеллект), а также решать проблему эффективной связи "человек - машина". Эти явления открывают новое направление - биоэлектронику. Развитие этого направления может привести к научно технической революции в электронике, последствия которой трудно предвидеть.

Функциональные микросхемы, в которых используется эффект накопления и переноса зарядов, что позволяет реализовать плотность размещения элементов 3.104 элемент/см2. Такие приборы по существу представляют собой МДП-структуры, они весьма технологичны (число технологических операций в два раза меньше по сравнению с обычной МДП-технологией). Приборы с переносом заряда (ППЗ), или приборы с зарядовой связью (ПЗС), могут стать основой построения логических схем, линий задержки, схем памяти и систем для получения изображений. Сравнительная простота технологии изготовления ПЗС по сравнению с системами на обычных МДП-транзисторах и почти десятикратное уменьшение площади схемы (~0,0016 мм2 на 1 бит информации) должны привести к существенному снижению стоимости систем на ПЗС. Использование полевых транзисторов с нитридом кремния в качестве диэлектрика затвора позволяет преодолевать один из основных недостатков полупроводниковых ЗУ - потерю информации при отключении питания. Такие ЗУ дают возможность реализовать плотность размещения элементов до 108 элемент/см2 при времени записи 10-6 с.

Другой тип управления электрическими неоднородностями в однородном материале состоит в помещении зарядов в потенциальные ямы в приэлектродной области. И здесь выполнение заданных функций достигается топологией контактов. Очень перспективно объединение методов, сочетающих заряд в потенциальных ямах с захватом и хранением заряда в поверхностном слое (электретный эффект), что позволяет совместить длительное хранение больших объемов, информации и ее обработку.

Интересные возможности для реализации быстродействующих ЗУ большого объема представляют переключатели на основе аморфных материалов (не имеющие кристаллического строения), обладающие симметричной S-образной вольт-амперной характеристикой. Время переключения прибора составляет 1,5.10-10 с. На основе элементов из халькогенидных стекол создано постоянное ЗУ на 256 бит с возможностью электрической перезаписи и высокой плотностью упаковки структуры, сравнимой с достигнутой плотностью в биполярной и МДП-технологии. Емкость ЗУ может возрасти до 106 бит. Эти приборы обеспечивают хранение информации без расхода энергии и считывание без разрушения, обладают симметричностью вольт-амперных характеристик и высокой радиационной стойкостью.

Наиболее перспективными из аморфных полупроводников (пленки толщиной не более 1 мкм) является S, Ge, As, Те, In, Sb, Se или их сплавы, а также диэлектрики на основе окислов этих полупроводников или окислов тугоплавких металлов переходной группы, например Gr, Ti, Та, Mo, Nb.

Аморфные материалы классифицируют следующим образом:

·  материалы с резко изменяющимся, значением удельного сопротивления (рис.2, а);.

·  материалы с отрицательным дифференциальным сопротивлением до 106 Ом (рис.2, б);

·  материалы с двумя управляемыми состояниями электропроводности (рис.2, в); сопротивления этих материалов могут различаться на семь порядков, а время переключения составляет 10-9 с;

·  материалы с двумя устойчивыми состояниями переключения (рис.2, г);

·  функциональные материалы, объединяющие свойства перечисленных материалов (рис.2, д).

Рис.2 Общий вид вольт-амперных характеристик различных аморфных материалов.

Анализ вольт-амперных характеристик аморфных материалов показывает, что их проводимость в ряде случаев скачком изменяется на несколько порядков и сохраняется в таком состоянии неограниченно долго. Эти свойства аморфных материалов уже дали возможность построить пороговые переключатели, ячейки памяти, перестраиваемые ключи памяти с двумя устойчивыми состояниями. Отметим, что интервал рабочих температур аморфных переключателей и ячеек памяти составляет от - 180 до +180°С.

Представляют большой интерес функциональные элементы с управляемым отрицательным сопротивлением на основе аморфных материалов. Эти приборы можно подразделить на две категории: 1) приборы, управляемые током и обладающие отрицательным дифференциальным сопротивлением (приборы с S-образной характеристикой); 2) приборы, управляемые напряжением и обладающие эффектом памяти (приборы с N-образной характеристикой). Первый тип приборов реализуется на пленках окислов Та, Ti, Nb, второй - на пленках диэлектриков, содержащих окислы, сульфиды и флюориды.

Рис.3. Структура накаливаемого пленочного эмиттера: 1 – подложка; 2 – алюминий, золото или вольфрам; 3 – золото; 4 – SiO2 или Al2O3; 5 – алюминий; 6 – грунтующий подслой из SiO2.

На основе аморфных полупроводников развиваются перспективные приборы - туннельные пленочные эмиттеры (рис.3). По внешнему виду эти приборы почти не отличаются от конденсаторных структур типа "металл - диэлектрик - металл", однако принцип их работы иной. Пленка диэлектрика очень тонкая, способная пропускать токи до 0,01 А, верхний электрод также достаточно тонкий (не более 50 нм). Принцип работы пленочных эмиттеров следующий. Электроны из катода (толщиной порядка 0,5 мкм) попадают в диэлектрик и в зависимости от толщины аморфной пленки диэлектрика разгоняются в нем до больших скоростей либо рассеиваются со значительным потерями энергии. Толщину диэлектрика выбирают минимальной, однако такой, чтобы сохранялась сплошная структура пленки и не было частичных микропробоев диэлектрика. Рабочая толщина диэлектрика обычно не превышает 40 нм. Так называемые горячие электроны просачиваются через потенциальный барьер и мигрируют через наружный электрод в вакуум. Пленочная структура металл - диэлектрик - металл выполняет фактически функцию холодного катода, который в отличие от обычных катодов почти не шумит, обладает повышенной радиационной стойкостью и очень малыми размерами при большом токе эмиссии с единицы поверхности.

Когерентные свойства сигнала для создания ряда новых твердотельных функциональных приборов: генераторов синусоидальных колебаний, усилителей, умножителей, преобразователей частоты, фазовращателей, трансформаторов, линий задержки, нейристорных линий, логических элементов, ячеек памяти и т.д. Следует особо выделить специфическое физическое явление, основанное на квантовых когерентных свойствах носителей заряда - эффект Джозефсона. Суть его состоит в том, что через достаточно тонкую (порядка 2 нм) диэлектрическую прослойку между сверхпроводящими слоями при низких температурах даже в отсутствие разности потенциалов может протекать своеобразный туннельный ток, легко управляемый сравнительно слабыми внешними сигналами. Значения параметров приборов, основанных на этом эффекте, существенно превышают значения соответствующих параметров приборов интегральной микроэлектроники. Исследования показали, что быстродействие отдельных приборов на эффекте Джозефсона достигает 20 - 30 пс, а мощность рассеяния равна 100 нВт, т.е. во много раз меньше, чем в обычных интегральных микросхемах. Основная трудность при изготовлении таких приборов - получение стабильного диэлектрика при толщинах порядка 2 нм.

Рассмотрим более подробно некоторые направления функциональной микроэлектроники.

Магнитоэлектронные приборы

Наиболее эффективным направлением микроминиатюризации магнитных элементов и устройств является применение новых физических явлений, когда используются электромагнитные процессы на доменном уровне. Магнитоэлектронные приборы обладают высокой степенью интеграции, обеспечивают большую плотность записи информации, имеют повышенную надежность, температурную и временную стабильности, могут осуществлять хранение записанной информации без потребления энергии.

В настоящее время в вычислительной технике и автоматике используют магнитные пленки и приборы на цилиндрических магнитных доменах.

Самым простейшим магнитным элементом является катушка из провода. Допустим, что она имеет w витков. Если через катушку пропустить постоянный ток I, то в ней возникает магнитное поле под воздействием магнитодвижущей силы: F = Iw. Обозначив длину катушки через l, можно определить напряженность магнитного поля, как H = F/l = Iw/l.

Разделив магнитодвижущую силу на сопротивление внешнего пространства Rв, получим значение магнитного потока, т.е. φ = F/Rв. Отнеся значение φ к единице площади, через которую проходит магнитный поток, определим индукцию В = φ /S. Затем, разделив индукцию В на напряженность магнитного поля H, определим магнитную проницаемость μ = В/H, которая является характеристикой материала, заполняющего объем катушки. Существуют материалы (железо, никель, кобальт и их сплавы), которые обладают аномально большими значениями магнитной проницаемости (μ = 108). Из приведенных выше соотношений легко определить значение индуктивности L = w2Sμ/l.

Среди магнитных материалов с точки зрения микроминиатюризации наиболее перспективны ферромагнетики, которые в результате сильного электростатического магнитного взаимодействия между электронами соседних атомов разбиваются на большое число областей самопроизвольной намагниченности (домены). Магнитные моменты атомов в доменах параллельны. Домены имеют определенную форму и размеры 10-1–10-6 см. Оптимальной считается доменная структура цилиндрической формы.

Соседние домены разделяются переходными слоями, называемыми границами или стенками доменов. Процесс перемагничивания ферромагнетиков во внешнем магнитном поле происходит либо вращением доменов, либо смещением их границ или протеканием обоих процессов одновременно. При изменении температуры может меняться магнитное состояние ферромагнетиков. В ферромагнетиках существуют определенные направления намагничивания (магнитная анизотропия).

Тонкие магнитные пленки (ТМП) изготовляют из металлов, сплавов и ферритов. Для создания ТМП на подложку из немагнитного материала (стекла) вакуумным распылением или электроосаждением наносят тонкий слой магнитного материала толщиной 0,05 – 10 мкм. Вакуумное распыление обеспечивает получение наиболее качественных пленок, причем наиболее удачные результаты получаются при напылении пермаллоя. Недостаток электроосаждения заключается в том, что пленки, получаемые этим способом, обладают худшими характеристиками по сравнению с исходными магнитными материалами.

Тонкие магнитные пленки характеризуются анизотропией, приводящей к изменению формы петель гистерезиса при намагничивании по разным направлениям пленки. Так, по оси легкого намагничивания пленка имеет прямоугольную петлю гистерезиса, а по оси тяжелого намагничивания – непрямоугольную петлю с очень малым гистерезисом. Толщина пленки значительно меньше ее линейных размеров. При определенной толщине пленка оказывается однодоменной, что приводит к особенностям перемагничивания ТПМ. Процесс перемагничивания происходит очень быстро (за наносекунды), т.е. ТМП может обеспечить значительное повышение быстродействия. Намагничивание происходит только в плоскости пленки, позволяя использовать плоские управляющие обмотки.

На ТМП выполняют запоминающие устройства для цифровых вычислительных машин из отдельных запоминающих элементов, наносимых на общую подложку в виде матрицы в едином технологическом цикле. Для запоминающих элементов формируют плоские ТМП квадратной (рис.5) или круглой формы. В таких элементах можно использовать переключения взаимно перпендикулярными полями. Запись информации в элементах памяти производится подачей двух импульсов тока. Плоские тонкопленочные элементы памяти обладают большими потоками рассеивания, поэтому лучше использовать цилиндрические ТМП, имеющие замкнутый магнитопровод и, следовательно, меньшие потоки рассеивания. Проводники для управления такими ТМП пропускают через отверстие цилиндра, а также наматывают по его внешнему диаметру. Цилиндрические ТМП можно наносить непосредственно на провода управления.

Рис. 5. Запоминающий элемент на ТМП: 1, 3, 4 – числовая, разрядная и выходная шины, 2 – ТМП

В приборах на структурах из цилиндрических магнитных доменов (ЦМД) применяют монокристаллические пленки из ортоферритов или гранатов. Толщины пленок соответствуют размерам одиночных доменов, которые образуются при воздействии сильных внешних магнитных полей. При изменении этих полей ЦМД перемещаются. В пленках монокристаллов ось легкого намагничивания направлена перпендикулярно плоскости пленки, а ось тяжелого намагничивания расположена в ее плоскости. Диаметр ЦМД составляет единицы – десятки микрометров.

Структуры на гранатах термостабильнее, чем на ортоферритах. Кроме того, в гранатах размеры ЦМД меньше, что позволяет увеличить плотность записи информации. Размеры и число ЦМД определяются внешним магнитным полем смещения.

Приборы на ЦМД используют для построения логических и запоминающих устройств, где единичные ЦМД служат элементарным носителем информации. Каждое информационное состояние устройства определяется положением ЦМД в магнитной монокристаллической пленке. Положение и число ЦМД в устройствах должно быть строго определенным.

Запоминающее устройство на основе приборов с ЦМД представляет собой схему продвижения доменов, которая является запоминающим регистром. Информация в регистр записывается в виде последовательности ЦМД, располагаемых по его длине в соответствии с входной информацией. Если информация представляет собой длинную последовательность входных сигналов, превышающих требуемую длину магнитной монокристаллической пленки, то регистр выполняется многорядным.

Запоминающее устройство с ЦМД служит аналогом электромеханического запоминающего устройства (магнитной ленты, диска, барабана). Однако оно значительно превышает электромеханическое устройство по надежности, быстродействию, объемам запоминаемой информации и отличается малыми массой и габаритами, потребляя значительно меньше энергии.

С помощью приборов на ЦМД может быть создан полный набор логических элементов, из которых строятся сложные логические устройства, в том числе с использованием оптических методов считывания.

ЛИТЕРАТУРА

1.  Петров К.С. Радиоматериалы, радиокомпоненты и электроника: Учебное пособие для вузов. – СПб: Питер, 2003. – 512 с.

2.  Опадчий Ю.Ф. и др. Аналоговая и цифровая электроника: Учебник для вузов / Ю.Ф. Опадчий, О.П. Глудкин, А.И. Гуров; Под. ред. О.П. Глудкина. М.: Горячая Линия – Телеком, 1999. – 768 с.

3.  Акимов Н.Н. и др. Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА: Справочник / Н.Н. Акимов, Е.П. Ващуков, В.А. Прохоренко, Ю.П. Ходоренок. Мн.: Беларусь, 2004. – 591 с.