Главная Промышленная автоматика.

Рис. 18.8. Полупроводниковая структура, в которой может возникнуть двухмерная сверхрешетка [44]

Исток, Выпопненный диффузией или ионной имплантацией

Поликристаллический кремний Апюмииий


Изолятор

Полупроводник

Сток [не показан)

ности заряда) и информации в виде электрических сигналов, проходящих через систему. Таким образом, в некоторых условиях имеется возможность динамически расстраивать решетку, что явилось одной из главных проблем надежности при проектировании существующих систем, а в данном случае будет потенциально полезным для создания систем, основанных на новых принципах.

Недавно были изучены специально изготовленные двухмерные сверхре-шетки [41, 44]. Один из ее типов был реализован в многозатворной структуре типа металл-диэлектрик-полупроводник, в которой затворы образуют в инверсионных слоях у границы полупроводника с диэлектриком регулярную решетку с периодом с?, сравнимым со средней длиной волны де Бройля у электрона и меньшим длины экранирования. Общая металлизация затвора (рис. 18.8) обеспечивает управление всеми электродами, образующими барьеры, не требуя очень точного совмещения элементов, располагаемых в различных слоях. Для подложки р-типа положительный потенциал на верхнем электроде будет увеличивать положительный потенциал на затворах сверхрешетки, что приведет к уменьшению поверхностного потенциала для электронов под затворами. Тепловая генерация носителей в обедненной области будет изменять границу обедненной области под затворами и поверхностный потенциал между электродами затвора (последний увеличивается и сглаживается) . При больших смещениях возможно туннелирование между валентной зоной и зоной проводимости, что приводит к искажению вшшовых функций и формированию запрещенных минизон, зависящих от толщины барьера d, потенциала и эффективной массы т*.

Детальные исследования показали [41], что геометрические размеры областей в кремнии должны составлять 10 - 20 нм для получения среднего размера запрещенных минизон около 0,1 эВ при высоте барьера, скажем, 0,03 эВ. У полупроводников типа GaAs, 1пА5,1пРи InSb эффекты сверхрешетки проявляются при d «10 нм.

Второй метод основывается на создании с помощью ионной имплантации в подложке р (или и)-типа узких участков (островков) п (или р)-типа с высокой концентрацией примеси. Трехмерная сверхрешетка может быть получена, если такие островки расположить в многослойной структуре, образованной методами молекулярно-лучевой эпитаксии. При этом можно предсказать появление интересных эффектов [41], обобщая выводы, сделанные для одномерных сверхрешеток в работе [45]. Главная идея основана на вкладе электронов в диэлектрическую проницаемость, которая достигает резкого



максимума (аномалия Кона), когда число волн периодического сигнала (в пространстве) равно удвоенному числу волн Ферми. Реальный вклад свободных электронов зависит от характеристик экранирования электронов, т.е. знак может изменяться в зависимости от того, с какой стороны запрещенной минизоны находятся электроны. При соответствующих условиях электроды сверхрешетки можно представить в виде периодических сигналов. Существование аномалий Кона может привести к резкому уменьшению размеров запрещенных минизон.

С другой стороны, бьшо показано [41], что если инверсный слой достигнет окрестностей запрещенной минизоны, то может появиться нуль в функции диэлектрической проницаемости, а это приведет к возникновению периодического пространственно распределенного эффективного потенциала, в том числе и на электродах прибора даже при нулевом смещении на них. Этот эффект генерации относится к неустойчивости сверхрешетки, обусловленной появлением волн зарядовой плотности, приводящих к существованию спонтанных колебаний без поля смещения. Это является примером самоорганизации, или синергетического эффекта [42]. Необходимо отметить, что инверсионные области могут возникнуть при оптическом воздействии или, что более существенно, в многодолинных структурах из-за эффектов, связанных с наличием горячих электронов в канале. Существенной и важной особенностью данного подхода, рассмотренного на основе теоретических рассуждений, является то, что он указьшает пути глобального изменения структуры схем путем простого кодирования передаваемой информации.

18.5.5. СИНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Из предварительного обсуждения следует, что в сдучае достижения в интегральных схемах определенного уровня размеров элементов будет существовать большое многообразие нелинейных параметрических межэлементных связей. Повышение уровня технологических методов, связанных с обработкой материалов и изготовлением интегральных схем, позволившее на практике реализовать гетероструктуры с таким построением, которое реализует квантовые особенности вещества, дает возможность вьшолнить частично изолированнью элементы, связь между которыми может модулироваться определенными управляющими сигналами в системе. Развитие новой науки синергетики [39, 42] показало, что наличие во многих сложных биологических, химических и физических системах конкурирующих стабилизирующих и дестабилизирующих процессов превращает эти системы в высоко-организованнью, очень неравновесные, диссипативнью структуры, которые управляются несколькими параметрами [39, 42]. (К таким процессам относятся процессы в лазерах, процессы, обусловленные эффектами Вернули в жидкостях, нелинейные химические реакции в диффузионных системах, морфогенезис в биологии клеток, информационные процессы в коре головного мозга, связанные со зрением, и т.д. [39,42].) Уместен вопрос: появится ли возможность в устройствах на СБИС осуществить соответствующими технологическими методами производства в сочетании с избирательным уп-436



равлением напряженностями полей и токами такие межэлементные связи, которые привели бы к функционированию устройства в виде синергетической системы, обладающей режимами иовыщенной структурной устойчивости, позволяющей изменять ее архитектуру. Подобные системы представляли бы в действительном смысле слова интегральные системы [8,9].

В недавнем теоретическом исследовании [46] была рассмотрена модель структуры, включающая в себя большие, регулярные группы идентичных элементов чрезвычайно малых размеров, связанных друг с другом только взаимодействием по их границам. Наличие слабого туннелирования и небольших емкостных связей между элементами способно изменить во всей системе параметры волн зарядовой концентрации, которые будут чувствительны к сигналам управления, проходящим через группы элементов. Базовые дискретнью уравнения могут быть аппроксимированы на большие системы моделью, в которой параметры, описывающие волны зарядовой концентрации в пределах каждой группы элементов, удовлетворяют нелинейному уравнению известного типа, что позволяет получить решения, соответствующие бифуркации в различных самоорганизующихся пространственно устойчивых образцах, а также определить направление распространения нелинейных волн. Круг самоорганизующихся моделей может быть расширен использованием слабо связанных бистабильных элементов или добавлением обратных связей в жесткую систему связей. Это показывает, что даже при такой минимально управляемой модели и вариации плотности заряда для управления прохождением сигнала можно достичь общей деструктуризации логической архитектуры. Кроме того, появляется возможность использовать получаемые способы функционирования устройства для обеспечения как режимов запоминания-восстановления, так и процессов распределения информации (не в виде последовательных битов информации) в форме, которая будет устойчивой при возникновении существенных локальных искажений в некоторых элементах. Устойчивость синергетических систем при воздействии шума и к локальным нарушениям хорошо известна. Вопросы, связанные с использованием обратных связей для уменьшения влияния допусков элементов на характеристики СБИС, уже обсуждались ранее [5,9].

Таким образом, синергетическая электроника является одним из новых радикальных направлений развития микроэлектроники в будущем. Уже сейчас можно видеть на примере двумерных сверхрешеток прототип устройств этого направления. При рассмотрении новых приборов мы могли занизить возможности рассматриваемых элементов, параметрами функционирования которых можно управлять, изменяя их взаимодействие внешним воздействием на систему (например, уровнями напряжений сверхрешетки, условиями на ее границах). С другой стороны, предусмотренное использование обратных связей (либо жестких, либо определяемых межприборными связями) может быть критичным для работоспособности таких структур, поскольку управление их архитектурой с помощью нелинейных связей может ухудшить надежность. Существует привлекательная возможность коренного пересмотра в будущем принципов формирования логических схем для представления и обработки информации. В наиболее простом





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

0.0037