Разделы сайта

Читаемое

Обновления Sep-2017

Промышленность Ижоры -->  Керамические композиционные материалы 

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

снованным оптимизмом оцениваются перспективы создания одноэлек-тронных приборов, теоретический предел быстродействия которых составляет сотни терагерц, при энергопотреблении ~10~ Вт. Активно обсуждаются проблемы создания квантовых интегральных схем, основными элементами которых должны стать квантовые точки, квантовые проводники, квантовые ямы, транзисторные структуры на основе квантоворазмерных эффектов и устройств с управляемой интерференцией электронов.

Все перечисленное стало возможным лишь благодаря вьщаюшимся достижениям в развитии технологии молекулярно-пучковой и МОС-гид-ридной эпитаксии, обеспечившим возможность синтеза высококачественных квантоворазмерных композиций широкого круга полупроводниковых материалов. Однако по существу развитие технологии и материаловедения наноструктур лишь только начинается. С материаловедческих позиций наноструктуры являются весьма специфическими объектами, свойства которых в значительной степени определяются свойствами их поверхности и явлениями, разыгрывающимися на границах раздела фаз. Все это определяет специфику межфазных взаимодействий и особенностей поведения примесей и структурных дефектов в наноразмерных многофазных композициях. Ключ к получению недеградирующих наноструктур с контролируемыми свойствами лежит в детальном исследовании всех этих явлений.

В настоящее время уже мало кто сомневается в том, что решающую роль в формировании нанокомпозиций типа сверхрешеток, состоящих из квантовых ям, проволок или точек, играют эффекты самоорганизации. Однако для того, чтобы обеспечить, например, получение композиций с однородным распределением необходимого количества квантовых точек контролируемого размера, надо иметь четкое представление о механизме явлений, лежащих в основе самопроизвольного возникновения макроскопического порядка в первоначально однородной системе, т. е. выявить основные движущие силы самоорганизации . Для различных типов наноструктур причины неустойчивости однородного состояния системы могут существенно различаться и в каждом конкретном случае в этом надо детально разбираться. Только такого рода подходы позволяют с наибольшим эффектом реализовать возможности процессов самоорганизации. В последние годы исследования в этом направлении развиваются весьма успешно. Можно было бы перечислить и ряд других проблем, обусловленных специфическими свойствами нанокомпозиций, но уже из изложенного ясно, что успешное развитие техноло-

гии и материаловедения полупроводниковых наноструктур вряд ли возможно без глубокого проникновения в природу явлений, разыгрывающихся в традиционных полупроводниковых средах на атомном (молекулярном) уровне. Это, в свою очередь, требует разработки новых нестандартных методов исследования с использованием сканирующей атомно-силовой и туннельной микроскопии, электронной микроскопии высокого разрешения, рентгеновской спектрометрии с применением син-хротронного излучения и ряда других современных подходов.

Серьезную конкуренцию наноэлектронике, основанной на использовании традиционных неорганических полупроводниковых материалов, в решении задач создания сверхминиатюрных и сверхбыстродействующих электронных устройств может составить молекулярная электроника. Как показывают исследования последних лет, индивидуальные молекулы ряда ароматических органических веществ, биомолекулы и углеродные нанотрубки обладают электрическими свойствами, которые, как считалось ранее, характерны только для объемных полупроводников. Они являются прекрасными проводниками электрического тока и могут использоваться в качестве переключателей при плотностях тока в миллионы раз больших, чем традиционная медная проволока. На их основе можно создавать мономолекулярные диодные переключатели, молекулярные полевые транзисторы и ряд других приборов. С использованием явлений самоорганизации на основе такого рода молекул можно формировать логические интегральные схемы и схемы памяти, рабочие напряжения в которых намного меньше, чем в традиционных полупроводниковых аналогах.

В настоящее время природа явлений, лежащих в основе проявления молекулами столь удивительных свойств, еще далеко не ясна, и в этом направлении развернуты широкомасштабные комплексные исследования. Тем не менее, совокупность полученных экспериментальных данных позволяет говорить о том, что в самом ближайшем будущем может произойти переворот в технике создания компьютеров, основанный на использовании высокоэффективных интегральных схем, где функции составляющих их электронных приборов будут выполнять индивидуальные молекулы. Уже на 2004 г. намечено создание молекулярной памяти объемом 16 Кбит. Если эти достаточно обоснованные прогнозы станут реальной действительностью, индустрия электронного приборостроения получит в свое распоряжение удивительно простую технологию изготовления УСБИС нанометрового уровня, в основе которой будут лежать дешевые химические процессы, осуществляемые в большинстве случаев



при комнатной температуре. Широкое внедрение молекулярной электроники в практику электронного приборостроения будет иметь серьезные экономические последствия и приведет к существенному удешевлению электронной аппаратуры.

Весьма заманчивые перспективы сулит твердотельной электронике и недавнее открытие полупроводниковых и металлических полимеров. В настоящее время химики научились делать полупроводниковые полимеры с различной шириной запрещенной зоны. Это создало предпосылки для развития дешевьгх технологий производства разнообразных, прежде всего, оптоэлектронньгх приборов. Сегодня на основе полимерных полупроводников создаются светодиоды, перекрывающие диапазон излучения от ИК- до УФ-области спектра; полноцветные гибкие светоиз-лучающие дисплеи; фотодетекторы, солнечные батареи и полевые транзисторы с параметрами на уровне соответствующих аналогов на основе аморфного гидрированного кремния. С умеренным оптимизмом оцениваются перспективы создания на основе металлических и полупроводниковых полимеров интегральньгх схем. Все это стимулирует расширение фронта работ по синтезу и исследованию свойств этих многообещающих материалов.

Все вышеизложенное позволяет предполагать, что в обозримом будущем нас ожидают весьма серьезные изменения как в номенклатуре и технологиях получения важнейших материалов электронной техники, так и в номенклатуре и технологиях создания на их основе принципиально новых нанометровьгх приборных устройств, работающих на новых физических принципах. В первую очередь эти изменения коснутся микро-и оптоэлектроники

2.2. СТРУКТУРЫ

МЕТАЛЛ-ДИЭЛЕКТРИК-ПОЛУПРОВОДНИК

Микроэлектроника как область электроники, изучающая проблему создания электронных устройств в миниатюрном исполнении, появилась в начале шестидесятьгх годов. Развитие микроэлектроники показало, что она является одним из важнейших факторов, определяющих не только научно-технический прогресс, но и социальное развитие общества в целом. В частности, рынок электронного оборудования в последние годы динамично развивался со средней исторической скоростью 7 % в год. Это как минимум в два раза превышает среднюю ско-

рость роста ВВП в развитых странах, поэтому высказываются прогнозы что электронная промьшшенность станет самой большой отраслью в мире в XXI в. Так, мировой рьшок электронного оборудования превысил 1,2 триллиона долларов, обогнав рынок автомобилей.

В настоящее время сложилось следующее распределение изделий микроэлектроники по секторам рынка: микропроцессоры и микроконтроллеры - 38 %; схемы памяти - 28 %; логические ИС - 15 %; аналоговые ИС - 13%; дискретные и оптические - 7%. При этом наблюдается тенденция увеличения доли схем памяти в общем объеме. Рост мирового рынка изделий микроэлектроники, по данным Future Horizons, по отдельным его секторам показан на рис. 2.6.

Большинство процессов, определяющих развитие микроэлектроники, носят экспоненциальный характер, что и предопределило бурный рост производства полупроводниковых приборов и интегральных схем. Закон Мура, наблюдающийся более чем три десятилетия, по прогнозам будет действовать по крайней мере еще одно десятилетие [35].

Развитие микроэлектроники сопровождалось ростом степени интеграции при одновременном уменьшении минимального размера элементов интегральных схем. В последние 30 лет минимальный размер элементов ИС уменьшался со средней скоростью 13 % в год. Данный процесс останется неизменным и в следующем десятилетии. Быстрый рост степени интеграции, наблюдавшийся до 80-х годов, заметно снизился в последние годы. Достигнутая степень интефации превысила 10 транзисторов. На рис. 2.7 представлены данные по достигнутым и прогнозируемым [35] величинам минимальных размеров элементов min и степени интеграции п в зависимости от года выпуска.

Основными особенностями развития микроэлектроники во второй половине двадцатого века можно считать резкое снижение себестоимости (применительно к элементу обработки единицы информации) при беспрецедентном снижении энергопотребления, с одновременным улучшением характеристических параметров.

млрд $


1997 1998

1999 2000 2001 2002 2003 Годы

Рис. 2.6. Рост мирового рынка изделий микроэлектроники в 1997-2003 гг.: / - логические схемы; 2 - схемы памяти; 3 - микропроцессоры; 4 - аналоговые схемы; 5 - дискретные элементы



mm-

Гигантский рост производства изделий микроэлектроники основывался во многом на увеличении диаметра полупроводниковых пластин, что само по себе представляло чрезвычайно сложную материаловедческую задачу, требующую решения большого комплекса научно-технических задач на каждом этапе увеличения диаметра. В настоящее время широко применяемый диаметр кристаллографически совершенных монокристаллов кремния, обладающих высокой чистотой и однородностью (менее одного атома примеси на Ю атомов кремния), применяемых в производстве, составляет 200 мм. В ближайшее время планируется, а на отдельных предприятиях уже и осуществляется, переход на еще большие диаметры 300 и 450 мм.

Основными результатами, достигнутыми кремниевой технологией на рубеже веков, можно считать: степень интеграции для схем памяти 10 бит и для микропроцессоров 2,1 Ю транзисторов в кристалле; минимальные топологические размеры для схем памяти 0,18 мкм, микропроцессоров 0,13 мкм; тактовая частота 1,3 ГГц; площадь кристалла 400 мм для схем памяти и 340 мм для микропроцессоров [36].

Увеличение степени интеграции изделий микроэлектроники обусловливает необходимость повышения их надежности, что неразрывно связано с совершенствованием методов производственного контроля интегральных схем. Достигнутый уровень развития технологии, высокая интеграция и надежность ИС и БИС на основе кремния указывают на то, что в качестве основного материала для изготовления интефальных схем на ближайшие 10-15 лет останется кремний. Основными базовыми элементами И С и БИС будут являться структуры металл-диэлектрик-полупроводник (МДП) с диэлектрическими слоями на основе термической двуокиси кремния. Увеличение степени интефации микросхем обеспечивается уменьшением длины каналов и толщины подзатвор-

и, шт/см-


2000

2005

2010 2015 Годы

Рис. 2.7. Минимальные размеры элементов min И степень интеграции и интегральных схем в зависимости от года выпуска: 1, 3 - динамическая память; 2, 4 - микропроцессоры; 5 - результаты прикладных исследований

иого диэлектрика транзисторов в МДП-технологии. Поскольку основным направлением развития современной МДП-технологии является уменьшение толщины подзатворного диэлектрика, то значительно возрастает влияние на работу МДП-приборов таких процессов, как туннелирование, интерференция электронов в тонких слоях, инжекция носителей заряда в диэлектрик, электрический пробой. С уменьшением толщины двуокиси кремния возрастает и нестабильность характеристик, описывающих эти процессы. На энергетический профиль зонной диафаммы существенное влияние оказывает структурно-примесный состав переходного слоя кремний - двуокись кремния [37]. Поэтому возрастает роль процессов в МДП-системах, связанных с влиянием сильных электрических полей. Воздействие инжекции носителей на диэлекфик МДП-систем в таких полях приводит к изменению зарядового состояния диэлектрика, повышению плотности поверхностньгх состояний на фанице раздела полупроводник-диэлектрик и активизации дефддационных процессов в электрически активных дефектах.

Далее основное внимание при рассмотрении проблем повышения качества материалов, структур и технологических процессов МДП-БИС будет отведено физическим процессам и явлениям, протекающим в сильных электрических полях, в том числе и при инжекции носителей, а также будут систематизированы основные данные о сильнополевой туннельной инжекции в МДП-структурах, о процессах зарядовой нестабильности, о дефектности и механизмах накопления зарядов в диэлектрических слоях МДП-структур, применительно к инжекционным методам модификации, исследования и контроля, что позволило бы более объективно показать их возможности, особенности применения и интерпретации получаемых результатов.

Характеристики и параметры МДП-структур в сильных электрических полях

В сильных электрических полях в МДП-структурах в зависимости от полярности на фанице раздела Si-SiOj или M-Si02 образуется треугольный потенциальный барьер и происходит квантомехани-ческий туннельный перенос электронов сквозь потенциальный барьер по Фаулеру-Нордгейму. При малых толщинах оксида может осуществляться прямое туннелирование через слой диэлекфика. Граница между прямым туннелированием и туннелированием по Фаулеру-Нордгейму лежит в диапазоне 3,5...4 нм.



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

© 2003 - 2017 Prom Izhora
При копировании текстов приветствуется обратная ссылка