Основные направления функциональной микроэлектроники (стр. 2 из 3)

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.