Использование неполупроводниковых материалов в электронике

10.1	Физические основы молекулярной электроники

В последние годы активно обсуждаются возможности записи информации с помощью принципов самоорганизации, присущих крупным органическим молекулам, для которых характерным является наличие незаполненных (или слабо разрываемых контактирующей фазой) активных химических связей. Молекулы образуют некий порядок, определяемый влиянием поверхности подложки и их собственными свойствами. В сущности, мы получаем модель квазидвумерного органического кристалла. Управление информационным сигналом происходит путем возбуждения молекулы (квантом света, например) с последующим бездиссипативным распространением сигнала.

Построение приборов на основе молекулярной электроники требует нетрадиционных технологий, отличающихся от планарной технологии. В настоящее время наиболее широко используются тонкопленочные структуры, полученные методом Ленгмюра – Блоджетта (получение пленки на поверхности воды с последующим ее переносом на поверхность твердого тела). Плотность размещения молекулярных элементов в таких структурах достигает 10¹⁰-10¹² см^-2 при высоком (~ 10^-10с) быстродействии.

В настоящее время для практического использования еще нет производства молекулярных электронных схем, которые за рубежом называют биочипами.

У полупроводниковых микросхем число элементов на один кристалл не превышает 10⁸. Эти схемы, изготовленные по планарной технологии, могут иметь оперативную память в несколько мегабайт и обеспечивать скорость переработки информации до 10⁸ опер/ с. Однако потребуются большие степени микроминиатюризации и большие скорости переработки информации. Молекулярная электроника позволит в объеме 1 мм³ размещать до 10¹⁵ элементов. Это в 10⁶ раз больше, чем плотность размещения нервных клеток в мозгу человека.

Теоретически доказано, что на 1 бит информации при температуре Т=300 К необходимо затратить не менее 210^-21 Дж энергии (предел Бриллюэна). В современных ЭВМ затраты энергии во много раз больше. А в молекулярных устройствах можно приблизиться к пределу Бриллюэна.

Сверхминиатюрные молекулярные схемы могут вживляться в организм человека, позволяя при этом улучшать некоторые функции нервной системы. Имплантированные в мозг человека молекулярные устройства помогут увеличить емкость памяти, т.е. добавить объем знаний, и исправить какие- то недостатки в работе мозга.

Для молекулярных схем должны быть использованы большие (белковые) молекулы. Многие органические вещества имеют довольно слабые межмолекулярные связи. В таких веществах молекулы сохраняют свои индивидуальные свойства. Поэтому для органических кристаллов характерно сочетание свойств отдельных молекул и свойств целого кристалла. В кристаллической решетке германия, кремния и некоторых других веществ очень сильная связь между атомами, и эти атомы почти полностью утрачивают свои индивидуальные свойства. Органические кристаллы отличаются от традиционных неорганических полупроводников не только разнообразием свойств и способностью изменять эти свойства, а еще и тем, что их обработка не требует ядовитых веществ, в отличие от обработки полупроводников.

Исследования в области молекулярной электроники ведутся по двум главным направлениям:

· попытка разработать на базе органических молекул устройства, аналогичные по принципу работы и схемотехнике обычным полупроводниковым микросхемам;

· создание устройств, принципиально отличных от существующих микросхем по степени микроминиатюризации и скорости обработки информации.

Одна из основных проблем в молекулярной электронике - сопряжение молекулярных элементов между собой и с внешними устройствами. Схемотехника для молекулярных элементов пока еще детально не разработана.

Молекулярные электронные устройства могут быть цифровыми и аналоговыми. Возможный вариант цифрового устройства такой, в котором молекулы представляют собой логические элементы, а управление и передача информации осуществляется за счет оптического воздействия на молекулы. Оптические системы применяются и для связи входа и выхода молекулярного устройства с внешними электрическими цепями.

Для логических элементов необходима высока надежность срабатывания при воздействии на них управляющего сигнала. Под действием квантов излучения молекулы, играющие роль логических элементов, должны переходить из обычного (нормального) состояния в возбужденное и наоборот. Важно, чтобы в возбужденном состоянии логический элемент мог оставаться нужное время.

Простые молекулы сохраняют возбужденное состояние лишь малые доли секунды, после чего они самопроизвольно возвращаются в невозбужденное состояние. Сложные органические молекулы остаются в возбужденном состоянии десятки секунд. Чтобы обеспечить надежную работу элемента, управляющее воздействие должно безотказно переводить молекулу в нужное состояние. Для многих молекул это справедливо только при переводе в возбужденное состояние, а обратный перевод – либо самопроизвольный, либо плохо управляемый, что недопустимо.

Необходимо подобрать такие молекулы, которые имеют не менее двух хорошо различимых устойчивых состояний с достаточно длительным временем жизни в этих состояниях. Эти молекулы должны быть хорошо управляемыми, т.е. позволять переводить их в любое из двух состояний и четко определять, в каком из этих состояний система находится.

Управление с помощью излучения может быть осуществлено так. Что прямой переход достигается за счет воздействия видимого, а обратный – за счет воздействия ультрафиолетового излучения. Возможны и другие комбинации двух различных видов излучений. При управлении лазерным лучом с диаметром 1 мкм можно в молекулярной пленке получить плотность записи информации до 10⁸ бит/ см² и более. Таким образом, один из вариантов молекулярного цифрового устройства может иметь тонкопленочный слой молекул, способных запоминать информацию, а для записи и считывания использовать лазерное излучение с различной длиной волны.

В аналоговых схемах должны использоваться большие белковые молекулы с множеством устойчивых состояний. Управление переходом между этими состояниями возможно различными методами, например, оптическим возбуждением, электрическими полями.

Следует отметить проблемы, стоящие перед молекулярной электроникой. Как долго смогут работать белковые молекулы? В организме человека, где воздействие физических полей не слишком сильно, они работают до нескольких недель. Усилия генной инженерии направлены на повышение устойчивости этих молекул.

10.2	Явление сверхпроводимости

При прохождении электрического тока по проводнику, обладающему сопротивлением , в течение времени выделяется теплота, количество которой определяется законом Джоуля - Ленца:

(10.1)

Однако были обнаружены вещества, сопротивление которые оказалось близким к нулю. Данные материалы получили название сверхпроводников. Их характерной особенностью является отсутствие (практически) преобразования электрической энергии в тепловую при прохождении электрического тока.

Использование явления сверхпроводимости позволило создать: мощные магниты, применяемые, например, в установках для исследуемого управляемого термоядерного синтеза, при разработке безрельсовых транспортных средств с магнитной подвеской; силовые кабели; сверхбыстро действующие тонкопленочные переключающие элементы; датчики сверхмалых токов и магнитных полей (так называемые сквиды – сверхпроводящие квантовые интерферометры).

Однако до 1986 года существенной проблемой оставалось то обстоятельство, что материалы проявляли свойство сверхпроводимости при сверхнизких температурах (порядка нескольких градусов Кельвина). Рекордсменом до недавнего времени являлось соединение с температурой сверхпроводящего перехода 23,2 К, что немного выше температуры жидкого водорода. Задача охлаждения до таких температур давно решена, но данные технологические процессы остаются сложными и дорогостоящими. Позднее были получены материалы с температурой сверхпроводимости, не меньшей температуры жидкого азота (77 К), который в определенном смысле представляет собой отход металлургической промышленности, поскольку образуется при производстве жидкого кислорода и стоит очень дешево.

В 1986 году удалось найти вещества с температурой перехода в сверхпроводящее состояние 35 К, в 1987 году – с температурой перехода 92 К, в 1988-89 гг. – с температурой перехода в сверхпроводящее состояние 150 К. таким образом, произошел революционный скачок в исследовании явления сверхпроводимости. Открытый эффект высокотемпературной сверхпроводимости пока не имеет теоретического объяснения.

Высокотемпературные тонкопленочные сверхпроводники могут явиться основой для изготовления нового поколения сверхпроводящих дискретных элементов и интегральных схем.

10.3	Понятие о криоэлектронике

Криоэлектроника – это область науки и техники, которая занимается вопросами применения электронных явлений, происходящих в различных веществах при низких температурах. Развитие криоэлектроники связано главным образом с тем, что при температурах ниже определенного значения в ряде веществ наблюдается явление сверхпроводимости, т.е. электрическое сопротивление становится близким к нулю.

Переход в сверхпроводящее состояние осуществляется скачком. Но состояние сверхпроводимости исчезает при действии на сверхпроводник магнитного поля определенной напряженности, или если сила тока в сверхпроводнике превысит некоторое максимальное значение.

Простейший исторически первый криогенный переключательный прибор – криотрон – представляет собой сверхпроводник 1, который можно переводить из состояния с нулевым сопротивлением в состояние с конечным сопротивлением, воздействуя магнитным полем. Поле создается током, протекающим в другом, управляющем сверхпроводнике 2, который изготавливается из металла с несколько более высокой критической температурой, чем у управляемого провода 1.

Более совершенным является пленочный криотрон (рис. 10.1), у которого перпендикулярно друг другу расположены управляемая (1) и управляющая (2) пленки, разделенные слоем диэлектрика (3). Толщина пленок порядка микрометров. Управляющая пленка делается более узкой. Обе пленки находятся в сверхпроводящем состоянии, но если пропустить через управляющую пленку ток, не меньший некоторого кристического значения, то магнитное поле этого тока нарушает сверхпроводимость управляемой пленки на участке пересечения пленок, и тогда сопротивление управляемой пленки станет больше нуля.

Основное применение криотронов как переключающих элементов в быстродействующих ЭВМ. Два резко различных состояния управляемого проводника соответствует знакам 0 и 1. Время переключения составляет доли микросекунды. На управление криотроном расходуется очень малая мощность Пленочные криотроны могут быть сделаны очень малого размера.

Большой интерес представляет получение в замкнутом сверхпроводящем контуре постоянного тока, который может длительное время протекать без источника ЭДС. Такой ток можно, например, возбудить методом электромагнитной индукции в металлическом кольце, находящемся в сверхпроводящем состоянии. Вследствие того, что сопротивление сверхпроводящего кольца, а также потери на нагрев равны нулю, ток в кольце существует длительное время без изменения. На использовании данного явления основана работа запоминающих устройств, в которых отсутствие тока соответствует нулю, а его наличие – единице.

Особый интерес представляют криогенные приборы, действие которых основано на эффекте Джозефсона: если два сверхпроводника разделены очень тонким (менее 1 нм) слоем диэлектрика, то через этот слой может протекать постоянный ток, хотя падение напряжения на этом участке будет равно нулю. В этом случае через тонкий слой диэлектрика протекает своеобразный туннельный ток. Под действием магнитного поля с определенной напряженностью, или если ток превысит некоторое предельно значение, эффект Джозефсона исчезает, т.е. ток прекращается.

Таким образом, на эффекте Джозефсона могут работать криогенные переключательные элементы. Время их переключения до 10^-11 с, а расход энергии на одно переключение ~10^-18 Дж. Поэтому на джозефсоновских элементах могут быть построены сверхбыстродействующие ЭВМ с малым потреблением энергии.

Кроме этого, сверхнизкие температуры используются в различных радиоэлектронных устройствах с целью снижения потерь в них, уровня собственных шумов, повышения чувствительности радиоприемных устройств.

Как видно из сказанного, наибольшее применение нашли устройства на тонких сверхпроводящих пленках.

Получение тонких пленок любого материала всегда представляет сложность. Фундаментальным ограничением на качество изготавливаемых пленок является влияние поверхностей и границ раздела пленок на их параметры и отклонение последних от характеристик объема вещества. Природа такого влияния различна. Это и возникновение поверхностных электронных состояний, заряд на которых может неконтролируемым образом изменяться при адсорбции примесей из атмосферы, и механические напряжения, проявляющиеся в тонкопленочных структурах, и возможность диффузии инородных атомов через поверхности и границы раздела, и химические реакции на границах раздела фаз. При этом материал пленки может взаимодействовать как с материалом подложки, так и с имеющимися в ней примесями.

Кроме того, следует учитывать ориентирующее влияние кристаллической решетки подложки на кристаллическую структуру пленки. Пример – эпитаксиальные полупроводниковые пленки на монокристаллических подложках. При изменении режимов роста пленки (скорость осаждения, соотношение реагирующих компонент, температура) степень ее совершенства может изменяться от монокристалла (с большей или меньшей степенью дефектности) до поликристалла или даже аморфного состояния.

Все описанные эффекты в полной мере проявляются при изготовлении структур, состоящих из сверхпроводящей пленки на подложке. Работы в этом направлении начаты недавно, еще трудно говорить об открытии фундаментальных закономерностей и разработке оптимальных технологий создания таких структур. Но уже в настоящее время получены пленки из высокотемпературных сверхпроводников с различной степенью структурного совершенства, на различных подложках. Очень большое влияние на параметры пленок оказывают не только скорость и режимы их нанесения, но и последующие термические обработки.

Весьма актуальна задача изготовления подобных пленочных структур на кремниевых подложках. Поскольку кремний в ближайшем будущем останется основным материалом интегральной электроники, то структура «пленка из высокотемпературного сверхпроводника – кремниевая подложка» перспективна для быстрого внедрения в производство интегральных схем с улучшенными параметрами и новых приборов с использованием всего арсенала уже отработанных технологических операций интегральной электроники. Такие структуры уже созданы, но выявился ряд проблем, в том числе активное взаимодействие поверхности кремниевой подложки с кислородом, входящим в состав пленок. Показано, что сверхпроводящие свойства пленок очень чувствительны к содержанию в них кислорода, поэтому происходящая реакция пагубно сказывается на параметрах пленок. Для уменьшения ее влияния на поверхность кремния наносят буферные диэлектрические или металлические слои. Ученые и технологи ищут их оптимальный состав, толщины и режимы нанесения.

Другая привлекательная сторона использования кремниевых подложек заключается в возможности изготовления на них методами планарной технологии встроенных в кристалл охлаждающих элементов. Их работа основана на эффекте Пельтье – охлаждении контакта двух проводящих твердых тел, имеющих разную работу выхода, при пропускании через контакт электрического тока. Таким образом, отпадает необходимость в использовании жидкого азота или других внешних охлаждающих устройств, и интегральная схема, сохранив малые габариты, сможет работать при комнатной температуре ее корпуса, а охлаждаться будут только необходимые участки подложки, термоизолированной от корпуса. Подобные охлаждающие элементы уже разработаны, а быстрые успехи в разработках методов синтеза высокотемпературных сверхпроводников позволяют ожидать в будущем новых результатов.

Дата добавления: 2014-01-07