Часть 3
Микроэлектроника и холод
Микроминиатюризация в области электронно-вычислительной техники — важнейшее направление научнотехнического прогресса.
На основе полупроводниковых интегральных схем можно было бы создать мощную ЭВМ размером всего со школьный ранец, если бы был предложен эффективный способ отвода тепла от такого устройства. Но это оказалось непосильной для современной техники задачей: устройство должно выделять до киловатта энергии каждую секунду. Решение было найдено с помощью криогеники в сочетании с отказом от полупроводников.
Четверть века назад, а точнее, в 1962 году, английский ученый Джозефсон (в то время он был еще студентом) теоретически предсказал эффект, названный позднее его именем. На основе эффекта Джозефсона было сконструировано электронное устройство, так называемый «джозефсоновский переход». Оно представляет собой два сверхпроводящих электрода, разделенных тончайшим (от 10 до 50 А) слоем диэлектрика. Диэлектрик даже при сверхнизких температурах электрический ток не пропускает. В данном же случае благодаря сверхпроводящему состоянию электродов и в зависимости от приложенных к переходу электрических и магнитных полей электрический ток через изолятор проходит. Причем при температуре 4,2К такой прибор выделяет в 10000 раз меньше тепла, чем обычный транзистор. Иными словами, ЭВМ той же мощности, что и упомянутая выше, но построенная не на полупроводниках, а на сверхпроводящих элементах, выделяла бы всего 0,1 Вт в секунду! А каждый «джозефсоновский переход» может работать и как детектор, и как усилитель, и как ячейка памяти, и как логический элемент. Наиболее стабильны в работе «джозефсоновские переходы» с электродами из ниобия.
Устройства сверхпроводящей электроники уже используются на практике. Так, на их основе созданы сверхчувствительные измерители магнитных потоков и полей, успешно применяемые в медицине (магнитокардиография и магнитоэнцефалография).
Большое внимание наука уделяет сейчас разработки способов получения сверхчистых металлов, анализа их чистоты и изучения их свойств. А надо сказать, что свойства эти поистине удивительные. Например, титан, висмут, вольфрам, хром, молибден, тантал, цирконий долго считались хрупкими. В чистом же виде они оказались пластичными и прочными. И чем выше чистота полученных образцов, тем больше вероятность обнаружения "маскируемых" примесями подлинных свойств металлов.
В лабораториях Института проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов получены монокристаллы многих сверхчистых металлов — меди и серебра, никеля и кобальта, висмута и свинца, индия, сурьмы, самария. Их проба чистоты чрезвычайно высока — до 99,999999 процента! Такая почти идеальная чистота удовлетворяет требованиям микроэлектроники, где металлы находят все более широкое применение.
Жесткие требования микроэлектроники к чистоте используемых металлических материалов связаны с тем, что сверхчистый металл ведет себя почти как сверхпроводник, помехи электронам проводимости создают «чужие» атомы. А это значит, что при отсутствии таких помех, т.е. при работе со сверхчистыми металлами, не возникает (или, точнее, значительно слабее проявляется) проблема отвода тепла. Кроме того, что очень важно для электронно-вычислительной техники, непрерывно циркулирующий поток информации в виде заряда, волны и пр. в схеме, выполненной из сверхчистых металлов, не встретит препятствий, а это предохранит устройство от сбоев и ошибок.
Получение сверхчистых металлов — тема особая, и мы не будем ее касаться. Скажем только, что сохранить вещество в чистом виде не менее сложно, чем получить. И здесь на помощь опять-таки приходит криогенная техника: один из эффективных способов сохранения чистоты металлических материалов — содержание их в условиях сверхнизких температур (в жидком азоте, а еще лучше — в жидком гелии).
В Советском Союзе разработан метод определения чистоты сверхчистых металлов (при содержании примесей менее 10-4 процентов), основанный на использовании электромагнитных волн особого, типа — геликонов. Эти волны затухают в ряде металлов пропорционально концентрации примесей. Любопытно, что геликоны есть не что иное, как затухание электромагнитных волн, испускаемых плазмой заряженных частиц, что наблюдается лишь в вакууме. Иными словами, сверхчистые металлы проявляют свойства вакуума. Такое же сходство свойств с вакуумом сверхчистые металлы проявили при исследовании «пробега» в них свободных электронов. В сверхчистых образцах индия, например, охлажденных до температур ниже температуры кипения гелия, электроны проходили 8—10мм — как в вакууме! Более того, была доказана возможность с помощью магнитного поля фокусировать и управлять траекториями электронов проводимости внутри образца сверхчистого металла. Важно отметить, что в сверхчистых металлах плотность потока электронов проводимости составляет 1022 электронов в 1 см3, т. е. почти как в вакууме и в сотни тысяч раз больше, чем в полупроводниках.
Отсюда был сделан естественный вывод: использование сверхчистых металлов в конструкциях ЭВМ резко повысило бы эффективность вычислительных и управляющих систем. По мнению директора Института проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов, члена-корреспондента АН СССР Ч. В. Копецкого, развитие науки и техники в этом направлении может привести к появлению новой отрасли — металлической электроники, или металлотроники. Основным элементом электронных систем, по его мнению, могут стать «триады» из двух сверхчистых металлических монокристаллов, соединенных (или разделенных) микромостиком («длиной» до 100 мкм), изготовленным также из металлического монокристалла особой чистоты. Через такой микромостик при близких к абсолютному нулю температурах можно пропускать электроток огромной плотности — 109— 1010А/см2 . И мостик при этом даже не нагревается. Это поистине парадоксальное свойство сверхчистых металлов, ведь самый тугоплавкий металл обычной технической чистоты испаряется при плотности тока 105 на квадратный сантиметр.
Одним словом, металлотроника в содружестве с криогенной техникой являются продвижением научно-технического прогресса.
Перспективы применения структур на основе контактов сверхпроводников с полупроводниками в криогенной микроэлектронике
Проблема создания структур на основе контактов С—П, приборов и многофункциональных устройств на этих структурах является комплексной. Нужно пройти большой путь от разработки воспроизводимой технологии получения простейших контактов и приборов, например полупроводникового (как это ни странно звучит) криотрона с джозефсоновским вентилем, сверхчувствительных детекторов дальнего ИК диапазона до криоэлектронных приемных устройств и вычислительных систем, в которых необходимо будет найти разумное сочетание различных рассматриваемых структур. Но в целом этот путь полезный и даёт много нового микроэлектронике. Это можно показать в виде условной схемы на рисунке № 1, в которой представлены не только структуры и приборы, о которых выше упоминалось, но и возможные перспективные приборы.[9] Применение рассмотренных структур на основе контактов сверхпроводников с полупроводниками в криоэлектронике открывает новые возможности для создания различных (функциональных приборов: усилителей, детекторов, преобразователей, ПЗС с внутренним усилением, приемников ИК диапазона, линий задержки, регистров сдвига. Сочетание на одном полупроводниковом кристалле нескольких структур, выполненных в одном технологическом цикле, например структур, имеющих параметрические и детекторные элементы, в принципе позволяет поднять чувствительность криоэлектронных приемников прямого усиления до уровня супергетеродинных. Сочетание сверхпроводящих структур с полупроводниковым барьером, в которых при проявлении эффекта Джозефсона частоты принимаемого сигнала могут охватить практически весь ИК диапазон, с регистром сдвига на структурах с зарядовой связью и малошумящими усилительными элементами позволяет создать многоэлементные приемники с самосканированием, работающие в дальнем и сверхдальнем ИК диапазонах. Возможно создание на этой основе и многодиапазонных ПЗС ИК диапазона. При построении сложных интегральных схем на СВЧ микрополосковые линии и резонаторы усилителей могут быть выполнены непосредственно на той части поверхности полупроводникового кристалла, в которой при температурах Т<Тс наступает «вымораживание» носителей заряда и потери становятся примерно такими же, как и в хороших диэлектриках. На эту часть кристалла может быть нанесено и несколько дополнительных связанных пленочных сверхпроводящих резонаторов, образующих сверхпроводниковые СВЧ фильтры, либо преселекторы — усилители со сверхпроводниковыми резонаторами, предложенные и рассмотренные для мазера с пассивными сверхпроводниковыми резонаторами, либо Сп болометры. Способность работать при любых условиях охлаждения, вплоть до температур, близких к абсолютному нулю, где отсутствуют тепловые колебания, а шумы кристаллической решетки становятся исключительно малыми, причем ассортимент сверхпроводниковых и полупроводниковых материалов существенно расширен, является одним из ценных свойств рассматриваемых структур, которые базируются на передовой технологии БИС. Тенденция к освоению в микроэлектронике свойств твердого тела при криогенных температурах, проявившаяся благодаря успехам в создании различных криоэлектронных приемных систем на базе сверхпроводников, узкозонных полупроводников и других материалов, неуклонно пробивает себе дорогу. Одновременно, как видно из данной работы, появилась и другая тенденция, созревшая но мере развития электронного материаловедения и функциональной микроэлектроники. Это - переход к созданию в едином технологическом цикле уже не только материалов, например полупроводниковых кристаллов, и не только эпитаксиальных пленок из одного материала, но сначала «простых» полупроводниковых гетероструктур, МДП-структур, вплоть до рассматриваемых сложных структур С—П, С—П—С и др. Эти структуры можно назвать функциональными.