Главная Промышленная автоматика.

ставлять в виде "черного ящика". Размерное квантование, которое при этом будет чрезвычайно чувствительно к локальным электрическим полям, приведет к интервалу возможных значений энергии от 1 мэВ до 1 эВ. Изгиб зон проводимости также важен особенно при высокой концентрации носителей заряда (<10 см"), которая необходима для поддержания требуемого количества носителей в приборе. Непрерывная инжекция или экстракция носителей будет проблематичной из-за дискретного характера носителей заряда и вследствие явлений туннелирования и интерференции. Перенос в коротких и узких соединениях шириной 10-20нм может быть более точно описан волновыми процессами или линией передачи, а не траекторией частиц согласно классической теории. В зависимости от конфигурации прибора при таких геометрических размерах возможно очень большое разнообразие неклассических процессов переноса [6, 8]. Существующие ограничения при этом уже бьши обсуждены в литературе [5,9].

Представляется целесообразным сделать некоторые общие замечения относительно квантовых приборов, которые могут появиться в будущем. В частности, создание вьюококачественных контактов у таких приборов будет связано с существенными трудностями. Например, в гипотетическом полевом транзисторе на кремнии с длиной канала 25 нм [8] омические контакты вообще не могут быть использованы. Это объясняется тем, что влияние легирования и эффектов квантовых размеров, вероятно, приведет к возникновению у контактов областей обеднения такого размера, что канал будет полностью обеднен независимо от напряжения на затворе. Таким образом, в данном случае необходимы контакты иного типа (например, выпрямляющие контакты, через которые носители инжектируются за счет туннелирования с пренебрежимо малой добавкой составляющей термоэлектронной эмиссии).

При решении вопросов изоляции областей сверхмалогабаритных приборов является важным выбор соответствующего материала. Например, существует связь между быстродействием и размерами малых приборов. Более высокая скорость дрейфа носителей заряда достигается в полупроводниках с малыми эффективными массами таких носителей (к ним можно отнести GaAs). Однако в полевых транзисторах на перенос носителей от истока к стоку будет влиять также составляющая тока затвора, обусловленная туннелированием через его барьер, или, что еще важнее, инжекция носителей в обедненную область под затвором. Оба эти процесса зависят от эффективной массы носителей заряда. Если определить ширину (х„) и высоту (д) потенциального барьера, то эффекты туннелирования не будут проявляться, если х>Х„ = 1/2(й/(2от*1д)). где h - постоянная Планка; т* -эффективная масса. При vfi ~ 1 эВ для от* = 0,010 получим ХЮ нм, где Ото - масса свободного электрона. Таким образом, приборы, вьшолненные на материалах с малой эффективной массой носителей заряда, имеют преимущества в быстродействии, если их размеры таковы, что не проявляются квантовые эффекты; в противном случае размеры таких приборов должны быть больше размеров аналогичных приборов на материалах с большей эффективной массой носителей заряда.



Наименьшие размеры элеменюв, при которых возможно их функционирование в запоминаюших и цифровых устройствах, бьши изучены несколькими коллективами [5]. В общем случае такой бистабильный элемент можно представить в виде прибора, имеющего два состояния с энергетическими минимумами, разделенными потенциальным барьером. Размеры барьера должны быть достаточными, во избежание влияния тепловых флуктуации или эффектов туннелирования. С другой стороны, барьер должен быть достаточно низким, чтобы переходы из одного в другое бистабильное состояние можно бьшо осуществить воздействием входного сигнала. С учетом этих двух противоположных требований минимальный размер такого элемента можно определить как I нм. Для квантовых приборов со средним временем переключения 7 = 1 пс и высотой барьера = 100 кТ с использованием формулы f/то =ch(ip/(2fcJ}), где То -среднее время хранения заряда [26], можно определить среднее время хранения заряда: то =30 лет, что с очевидностью является приемлемым даже для очень сложных систем.

18.3.4. ЛОКАЛЬНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ

Другой подход к получению приборов с высоким быстродействием, который не требует решения проблем, связанных с существенным уменьшением размеров, может быть выявлен при пересмотре существующего в настоящее время предубеждения о том, что для этих приборов действительно необходима комнатная температура. Уже хорошо известно, что при снижении температуры улучшаются характеристики полупроводниковых приборов и уменьшается потребляемая мощность интегральных схем. Кроме того, при низких температурах существует ряд квантовых эффектов, которые могут быть использованы для повышения быстродействия. К ним относятся эффекты, обусловленные чрезвычайно малыми размерами элементов, свойствами двумерного электронною газа, возникающего в многослойных полупроводниковых структурах и МДП-приборах, а также эффект Джозефсона. При появлении возможности локализованного управляемого охлаждения некоторых участков ИС станет реальным использование большего числа эффектов, позволяющих получить сверхбыстродействующие ИС с еще более высокой степенью интеграции.

Данный вопрос был рассмотрен в работе [27] с целью определения возможности охлаждения микроструктур с помощью современных охлаждающих систем. Существующие компактные охладители замкнутого цикла характеризуются относительными потерями мощности на рассеяние не хуже 1/1000.

Следовательно, можно предположить реальным использование микроминиатюризации для создания таких охлаждающих систем. В работе [27] предложены методы фотолитографии и травления для создания в кремниевых анодированных многослойных пластинах газовых каналов, тепловых переходов и клапанов, реализующих миниатюрную охлаждающую систему, основывающуюся на использовании открытого цикла Джоуля-Томпсона. Автор работы [28] пошел дальше, предложив на основе эффекта ядерного



размагничивания строить миниатюрные охлаждающие устройства, работающие в температурном диапазоне тысячных долей градуса Кельвина. Любая реализация этих идей (в частности, для создания технологических методов изготовления интегральных схем) вызывает трудные, но не обязательно неразрешимые в будущем проблемы.

18.4. МАТЕРИАЛЫ

В основе следующих щагов развития микроэлектроники, вероятно, будет лежать поиск новых материалов для создания приборов. Уже бьшо предсказано [Ю, 11, 14, 15], что в будущих суперкомпьютерах наравне с кремниевыми МДП-транзисторами, размеры которых меньше 1 мкм, будут использоваться элементы на магнитных цилиндрических доменах и с джозефсоновским переходом особенно для построения запоминающих устройств и позднее ~ для быстродействующих логаческих элементов. Долговременные прогнозы показали, что минимальное время выборки для запоминающих устройств будет достигнуто в интегральных схемах, выполнетых на полуизолирующих подложках, таких как из GaAs. Действительно, более высокие, чем у кремния, потенциальные возможности арсенида галлия делают его более привлекательным для создания сверхбольших гигабитных интегральных схем со средним временем переключения на один затвор транзистора менее 100 пс и энергией переключения менее 0,1 пДж. Конечно, GaAs и подобным ему материалам традиционно отдавали предпочтение при разработке приборов СВЧ и оптоэлектроники, и только в последние годы бьшо обнаружено, что GaAs стал конкурентоспособным в случае создания цифровых ИС для запоминающих и арифметических устройств. По-видимому, использование различных полупроводников наряду с кремнием составляет один из путей непрерьшного развития микроэлектроники. Приборы, их характеристики и схемотехнические методы, развитые при создании кремниевых БИС, практически не применяются в случае перехода к GaAs интегральным схемам, преимуществами которых являются более высокая подвижность носителей заряда и возможность оптимального использования свойств полуизолирующих подложек. Можно предположить, что применение уже вполне развитой планарной технологии, многократно использующей методы легарования на основе локальной ионной имплантации непосредственно в полуизолирующую подложку, позволит решить схемотехнические проблемы создания GaAs БИС и СБИС и обеспечить массовость их выпуска. Поэтому планарная технология сохранит свои позиции при создании интегральных схем. Как уже отмечалось ранее, применение соединений и твердых растворов полупроводников 111-V групп в технике СВЧ и оптоэлектронике имеет существенное преимущество, состоящее в том, что изменением состава полупроводникового материала можно управлять пшриной запрещенной зоны, оптическими свойствами и т. д. Таким образом, основной тенденцией развития некремниевых полупроводников является переход к материалам с лучшими полупроводниковыми свойствами. Однако загладывая еще дальше, можно найти более фундаментальные явления в полупроводниках, которые могут иметь существенное значение для революционного развития электроники.

Наиболее очевидным в данном случае является использование материалов, подобных GaAs. Возможности определенных групп соединений, таких как Ga.As и AlGaj„xAs, в формировании пространственно согласованных кристаллических систем позволяют существенно изменять электрические и оптические свойства в некоторых очень малых областях без серьезного нарушения общей кристаллической структуры. Развитие молекулярно-лучевой эпитаксии расширило эти возможности для изготовления структур, содержагцих тонкие слои различных полупроводников с прекрасно





0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 [142] 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165

0.0042