Физические основы микро- и нанотехнологии

обедненного слоя под действием поля. Генерированные в обедненном слое основные носители (дырки) под действием поля выбрасываются в нейтральную часть полупроводника.

Рис. 3.14. Схема матрицы МДП-ячеек ПЗС-структуры с каналом р-типа:

а– поперечный разрез: 1 – Al; 2 – SiO2; б – три соседние ячейки

вкачестве сдвигового регистра заряда

Через некоторое время после приложения напряжения МДПструктура переходит в состояние термодинамического равновесия, характеризующегося образованием стационарного инверсного слоя, концентрация носителей в котором постоянна во времени. В ПЗС

181

используется нестационарное состояние МДП-структуры. Ввиду того, что скорость термогенерации носителей мала, потенциальную яму МДП-структуры можно использовать для временного хранения сигнальных зарядовых пакетов. Максимальное время хранения в основном ограничено процессами термогенерации электронно-дыроч- ных пар на поверхности и обедненном слое.

Естественно, что накапливаемый паразитный заряд искажает сигнальный, соответствующий хранению цифровой или аналоговой информации. Максимальное время хранения определяется как свойствами полупроводника, так и допустимой степенью искажений; оно составляет в реальных устройствах (без принудительного охлаждения) единицы или десятки миллисекунд.

На рис. 3.14, а показаны два р–п-перехода, которые служат для ввода и съема сигнала. Между переходами располагается n-область, на поверхности которой создается потенциальная яма, перемещающаяся вдоль подложки. Имеется также система металлических электродов (затворов), которые соединены с источниками напряжений φ1 φ2 и φ3. Предположим, что в область подложки, расположенной под первым электродом, инжектирован положительный заряд неосновных носителей (пакет зарядов). Если другие электроды находятся под напряжением выше порогового, то данный пакет зарядов перемещается вдоль подложки под действием электрического поля, созданного трехфазной системой напряжений. Поэтому цепочка ячеек ПЗС работает подобно регистру сдвига. Как видно из рис. 3.14, б, для направленного перемещения пакета зарядов необходимо иметь три отрицательных напряжения, удовлетворяющих неравенствам U1 > U2 > U3. При этом самый низкий потенциал U1 определяет глубину потенциальной ямы.

Взаимодействие соседних потенциальных ям возникает либо благодаря малому (0,1–1,0 мкм) расстоянию между соседними электродами, либо при создании специальных легированных областей, сформированных в полупроводнике и электрически связывающих соседние потенциальные ямы.

Можно сказать, что потенциальные ямы объединяются и электроны, находящиеся в одной потенциальной яме, перемещаются в соседнюю, если ее потенциал выше. Благодаря взаимодействию

182

соседних потенциальных ям можно осуществлять направленную передачу зарядов. Процессом такой передачи управляют специальные периодические последовательности электрических импульсов, подаваемые на электроды.

Если ПЗС осветить, то поглощаемые в полупроводнике фотоны вызывают генерацию электронно-дырочных пар. В обедненном слое под действием электрического поля эти пары разделяются: электроны локализуются в потенциальных ямах, а дырки выносятся в нейтральную область полупроводника. Величина зарядового пакета, накапливаемая в данном элементе, в первом приближении пропорциональна усредненному по площади элемента потоку фотонов и времени накопления. Использование ПЗС в астрономической практике

вусловиях низкой освещенности для фиксации света звездных объектов обычно требует большего времени накопления сигнала (секунды и десятки секунд). Для ослабления влияния термогенерации паразитного сигнала в этих случаях необходимо охлаждать приемник. Для устройств типа мобильного телефона с фотоили видеокамерой охлаждение не требуется.

Квантовая эффективность современных полупроводниковых приемников излучения достигает 95–98 %, т.е. практически каждый падающий на прибор фотон регистрируется системой со 100%-й вероятностью. Как и другие полупроводниковые детекторы, ПЗС имеют определенную область спектральной чувствительности. Длинноволновая граница определяется шириной запрещенной зоны полупроводника и для кремния составляет 1,1 мкм. Коротковолновая граница равна 0,4–0,5 мкм и обусловлена сильным поглощением коротковолновых квантов света в тонком приповерхностном слое,

вкотором одновременно с фотогенерацией носителей интенсивно происходит их рекомбинация. Фоточувствительные ПЗС принципиально могут быть реализованы на разнообразных полупроводниковых материалах (с разной шириной запрещенной зоны), что позволяет перекрыть широкую область спектра, включая инфракрасный диапазон.

183

3.6. Инверторы

Развитие микроэлектроники привело к резкому удешевлению производимых микросхем и сокращению их номенклатуры. Это связано с тем, что малейшее изменение в интегральной схеме приводит к необходимости изменять всю технологическую цепь, поскольку методы обработки подложек относятся к числу групповых методов. Исчезло великое разнообразие схемных решений, реализуемых на дискретных элементах, поскольку изменение схемы, даже самое незначительное, приводит к необходимости пересматривать весь производственный цикл. К тому же экономически выгодным производство интегральных схем становится только при массовых тиражах.

Внастоящее время принято подразделять электронные схемы на два класса: цифровые и аналоговые. В основе аналоговых схем лежат усилительные элементы, обрабатывающие и преобразующие непрерывно и квазимонотонно меняющийся электрический сигнал. Такие схемы иногда называют линейными или квазилинейными. Входные

ивыходные сигналы в них могут принимать любые значения и связаны друг с другом функциональной зависимостью.

Воснове цифровых схем лежат простейшие транзисторные ключи, для которых характерно наличие двух устойчивых состояний: разомкнутого и замкнутого. На основе их реализуются простейшие электронные схемы, называемые инверторами, в которых входной сигнал тем или иным способом преобразуется из одного дискретного состояния в другое. Чаще всего для этих целей используются значения низкого и высокого напряжения. Наличие в транзисторном ключе двух устойчивых состояний позволяет реализовать двоичную математическую логику, основанную на двоичной системе счисления.

Из существования двух устойчивых состояний следует, что цифровые схемы малочувствительны к разбросу параметров, температурным и временным зависимостям, внешним помехам и внутренним шумам, что является колоссальным преимуществом. Рассмотрим простейшую схему, реализованную на n-канальном полевом транзисторе (рис. 3.15).

184

В этой схеме исток заземлен, а сток подсоединен к источнику питания через нагрузочный резистор. Подложка полевого транзистора обычно заземлена или подсоединена к источнику постоянного напряжения смещения. Для получения низкого напряжения на выходе (логического нуля) необходимо, чтобы сопротивление резистора было намного больше сопротивления МДП-транзистора в открытом состоянии. Для этой цели иногда вместо резистора ставят МДПтранзистор, работающий в нагрузочном режиме (это также выгодно технологически). Такая схема из активного и нагрузочного транзисторов называется МДП-ячейкой или МДП-вентилем.

Рассмотрим работу схемы инвертора, приведенную на рис. 3.15. При подаче напряжения на затвор полевого транзистора через схему протекает ток, поэтому напряжение на выходе равно нулю, т.е. при подаче на вход логической единицы на выходе имеем логи-

не равно нулю, а имеет небольшое значение. Поэтому необходимо определить его пороговую величину, которая будет соответствовать логическому нулю. В схемах логические нули и единицы обычно представлены разными значениями напряжения: напряжением или уровнем нуля и напряжением или уровнем единицы. Разность уровней единицы и нуля называется логическим переходом. Он должен быть настолько большим, чтобы можно было исключить влияние случайных помех.

185

3.7. Микроминиатюризация и приборы наноэлектроники

Полевые приборы со структурой металл – диэлектрик – полупроводник в силу универсальности характеристик нашли широкое применение винтегральных схемах (ИС). Одна из основных задач микроэлектроники заключается в повышении степени интеграции и быстродействия интегральныхсхем. ДляИСнаМДП-приборахблагодарячрезвычайногибкой технологии их изготовления эта задача решается несколькими путями. Восновеодногоизподходовлежитпринципдвойнойдиффузии. Этатехнология получила название КМОП-технологии, когда структура имеет планарный характер, и V-МОП-технологии, когда структура транзистора имеет вертикальный характер. Другой подход связан с пропорциональной микроминиатюризацией обычного планарного МДП-транзистора иполучилназваниевысококачественнойилиН-МОП-технологии.

Согласно основным положениям модели пропорциональной микроминиатюризации при уменьшении длины канала в N раз для сохранения тех же характеристик транзистора другие его параметры (толщина окисла, ширина канала, напряжение питания) необходимо уменьшить в N раз, а концентрацию легирующей примеси в подложке увеличить в N раз.

Опыт разработки МДП-транзисторов с длинами канала 0,25–0,1 мкм показывает, что в таких приборах резко нарастает количество новых физических явлений, в том числе и квантовых. Принцип пропорциональной микроминиатюризации при этих значениях линейных размеров перестает работать.

Анализ показывает, что наряду с тенденцией уменьшения геометрических размеров каждого элемента в схемах проявляется тенденция

кувеличению числа элементов в схеме. Если в начале 1960-х гг. число элементов в схеме составляло десятки, то в начале 2000-х гг. число элементов в схеме составляет сотни миллионов. Обращает на себя внимание тот факт, что в настоящее время плотность упаковки приближается

кпределу, обусловленному физическими ограничениями.

Проблемы, связанные с физическими ограничениями микроминиатюризации, требуют рассмотрения основных физических явлений, которые запрещают дальнейшее уменьшение линейных геометриче-

186

ских размеров транзисторов, напряжений и токов транзистора, ограничивают его быстродействие и плотность упаковки. В таблице перечислены предельно допустимые значения параметров и основные физические ограничения.

Минимальную длину канала ограничивает эффект, связанный со смыканием областей истока и стока при приложении напряжения к стоку VDS. Поскольку ширина p–n-перехода, смещенного в обратном направлении,

187

минимальная длина канала должна быть больше удвоенной ширины р–п-перехода Lmin > 2lоб и быть прямо пропорциональна корню квадратному от напряжения питания и обратно пропорциональна корню квадратному от уровня легирования подложки.

Существующие физические ограничения на микроминиатюризацию полевых и биполярных приборов с использованием р–п- переходов являются серьезным препятствием на пути развития традиционной микроэлектроники и, как следствие, вычислительной техники, базирующейся на принципах булевой алгебры. Современная технология на базе оптической, электронной и рентгеновской литографии, сфокусированных ионных пучков позволяет получать структуры с планарными размерами менее 100 нм, а методы молекулярной эпитаксии обеспечивают уверенный контроль по составу и толщине слоев 1–10 нм. Переход к другой элементной базе дает возможность продвижения в область малых горизонтальных размеров, вплоть до структур, построенных из отдельных атомов или молекул на основе методов нанотехнологии с использованием сканирующего туннельного микроскопа совместно с методами химического синтеза и молекулярной биологии.

Эти методы позволили приступить к реализации устройств наноэлектроники и молекулярной электроники, таких как квантовые точки, квантовые нити, одноэлектронные транзисторы. В то же время компьютеры при этом продолжают оставаться классическими несмотря на то, что построены на принципиальных квантовых устройствах. Для классических компьютеров исключительно важной является проблема уменьшения рассеиваемой энергии впроцессе вычислительных операций.

Для квантовых компьютеров используется принцип построения на логически и термодинамически обратимых вентилях. При этом энергия будет рассеиваться только при вводе и выводе информации на периферийных устройствах.

188

Базисом для квантовых вычислений являются двухуровневые квантовые элементы, получившие название кубитов (quantum bits). Поскольку законы квантовой физики на микроскопическом уровне являются линейными и обратимыми, то и соответствующие квантовые логические устройства оказываются логически и термодинамически обратимыми.

Схема квантового обратимого компьютера, состоящего из элементов с двумя состояниями в качестве «вычислительного» базиса, была предложена Р. Фейнманом. В настоящее время идет активный поиск элементной базы для физических устройств, которые могут играть роль кубитов. Одним из перспективных вариантов являются полупроводниковые квантовые компьютеры на основе ядерного магнитного резонанса с индивидуальным обращением к кубитам.

Для формирования в полупроводниковой структуре нанометрового масштаба расстояний в системе спинов-кубитов можно пользоваться приемами современной нанотехнологии.

Контрольные вопросы к главе 3

1.Изобразите схематично зонную структуру типичного металла, полупроводника и диэлектрика. В чем заключены основные отличия между ними?

2.Что такое уровень Ферми?

3.Чем с точки зрения строения и зонной структуры различаются собственные и примесные полупроводники?

4.Что такое основные и неосновные носители? Как они обозначаются в полупроводниках n-типа?

5.Какие состояния носителей заряда называются неравновесными?

6.Каковы основные механизмы рекомбинации носителей заряда

вполупроводниках?

7.Что такое металлургическая граница? Как определяется ее местоположение в кристалле?

8.Что представляет собой р–п-переход? По каким признакам классифицируют р–п-переходы?

189

9.Чемопределяетсявеличинапотенциальногобарьерар–n-перехода?

10.Нарисуйте ВАХ идеализированного р–n-перехода.

11.Поясните влияние обратного напряжения на величину потенциального барьера.

12.Охарактеризуйте устройство и принцип действия биполярного транзистора.

13.Нарисуйте зонную диаграмму n–р–n-транзистора в равновесном состоянии.

14.Охарактеризуйте устройство и принцип действия МДПтранзистора.

15.В чем заключаются основные преимущества униполярных транзисторов перед биполярными?

16.Какими особенностями обладают ИМС по сравнению с другими электронными приборами?

17.Какие существуют типы ИМС с точки зрения структуры и базовой технологии изготовления?

18.Перечислите основные технологические операции производства интегральных схем.

19.Как конструктивно реализуются резисторы в полупроводниковых интегральных схемах?

20.Как конструктивно реализуются конденсаторы в полупроводниковых интегральных схемах?

21.С какими направлениями связаны перспективы развития микроэлектроники?

190