CC BY
191
УДК 621.38
ВАКУУМНАЯ МИКРОЭЛЕКТРОНИКА: ПРЕИМУЩЕСТВА, ПРОБЛЕМЫ, ПЕРСПЕКТИВЫ
Александр Сергеевич Штейзель
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, магистрант кафедры фотоники и приборостроения, тел. (999)462-26-34, e-mail: nemec008008@mail.ru
Игорь Николаевич Карманов
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент, зав. кафедрой информационной безопасности, тел. (903)937-27-90, e-mail: i.n.karmanov@ssga.ru
Рассмотрена актуальность вакуумной микроэлектроники с точки зрения оптимизации технических параметров электронных систем с одновременным уменьшением их габаритов и потребляемой энергии. В статье приведены проблемы, недостатки и преимущества вакуумной микроэлектроники. Рассмотрены преимущества приборов, изготовленных на основе элементной базы вакуумной микроэлектроники. Сделаны выводы относительно перспектив вакуумной микроэлектроники в современном мире.
Ключевые слова: интегральная схема, свободные электроны, автоэлектронная эмиссия, вакуумная микроэлектроника, приборы.
VACUUM MICROELECTRONICS: ADVANTAGES, PROBLEMS, PROSPECTS
Alexander S. Shteizel
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 10, Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russia, Graduate, Department of Photonics and Device Engineering, phone: (999)462-26-34, e-mail: nemec008008@mail.ru
Igor N. Karmanov
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 10, Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russia, Ph. D., Associate Professor, Head of Department of Information Security, phone: (903)937-27-90, e-mail: i.n.karmanov@ssga.ru
The urgency of vacuum microelectronics in the aspect of optimization of technical parameters of electronic systems with simultaneous decrease in their sizes and energy consumption is considered. The article presents the problems, disadvantages and advantages of vacuum microelectronics. The advantages of devices manufactured on the basis of vacuum microelectronics element base are considered. Conclusions concerning the prospects of vacuum microelectronics in the modern world are made.
Key words: integrated circuit, free electrons, field emission, vacuum microelectronics, devices.
Одна из основных проблем, стоящих перед электроникой, связана с требованием улучшения технических параметров электронных систем с одновременным уменьшением их габаритов и энергопотребления. Решение проблемы миниатюризации электронной аппаратуры связано с современным этапом разви-
тия электроники - микроэлектроникой. Микроэлектроника - это область электроники, включающая исследование, конструирование, производство и применение электронных функциональных узлов, блоков и устройств в микроминиатюрном интегральном исполнении. В соответствии с используемыми конструктивно-технологическими и физическими принципами в микроэлектронике может быть выделено несколько взаимно перекрывающихся и дополняющих друг друга направлений: интегральная электроника, вакуумная микроэлектроника, оптоэлектроника и функциональная электроника и др.
Фотоэмиссионные вакуумные приемники имеют ряд важных преимуществ по сравнению с полупроводниковыми [1]. Так, их реакция на световой поток не зависит от изменения температуры чувствительного слоя детектора. При использовании в космических системах, подверженных воздействию жесткой радиации, полупроводниковые устройства, в связи с возможностью накопления индуцированных излучением электрических зарядов и дефектов в активной зоне, существенно уступают эмиссионным. В связи с этим, исследования возможности использования вакуумных микроприборов при создании фотоприемных широкополосных устройств, эксплуатируемых в жестких условиях окружающей среды - при повышенных температурах и уровнях радиации - являются актуальными.
Термин «вакуумная микроэлектроника» используется для описания приборов или компонентов, имеющих микронные геометрические размеры (с нано-метрическими допусками на эти размеры), принцип действия которых основан на движении свободных электронов в вакууме в соответствии с законами классической физики.
Основные технологические проблемы, возникающие при создании таких приборов - следующие:
1) необходимо вырвать из металла или полупроводника и инжектировать в вакуум достаточное количество электронов с небольшим разбросом по энергии;
2) требуется изготовление структур нужных размеров и допусков, в том, числе - тонких слоев материалов с необходимыми физическими свойствами;
3) при разработке прибора нужно учесть необходимость защиты от нежелательных разрядов и обеспечить устойчивость к изменениям окружающей среды.
Рассмотрим основные преимущества рассматриваемых приборов.
В основе работы миниатюрных вакуумных электронных приборов и вакуумных интегральных схем лежит автоэлектронная или термоэлектронная эмиссия.
Эти приборы обладают сверхвысоким (субпикосекундным) быстродействием, высокой устойчивостью к радиации, слабой чувствительностью к температуре и достаточно высоким КПД. Приборы вакуумной микроэлектроники могут быть использованы как усилители и генераторы миллиметрового диапазона длин волн в системах непосредственного телевизионного вещания со спутников с использованием тридцатисантиметровых антенн и менее, в радиолокационных станциях, телефонных системах сотовой связи и так далее [2-8].
Вакуумная микроэлектроника основана на явлении автоэлектронной эмиссии. Это физическое явление, состоящее в том, что электроны покидают твердое тело, в котором они находятся в качестве свободных носителей заряда (это может быть металл или полупроводник), под действием сильного электрического поля, приложенного к поверхности. В случае автоэлектронной эмиссии электроны преодолевают потенциальный барьер на поверхности тела не за счет кинетической энергии теплового движения, а путем квантового туннельного эффекта.
Ключевым элементом вакуумной микроэлектроники является совокупность (матрица) полевых эмиттеров (ПЭМ, англ. FEAs). Она состоит из множества острийных электронных эмиттеров и вытягивающих электродов, электроны излучаются в вакуум из вершин конусов или других заостренных структур при туннелировании через поверхностный барьер под влиянием сильного электрического поля порядка 5-10 В/см. При использовании микротехнологий формируется плотно упакованный массив эмиттеров. Величина каждого из них может быть порядка микрона. Такие автокатоды получили название матричных автоэлектронных катодов. При этом увеличение тока многоэмиттерной системы при заданном анодном напряжении по сравнению с одиночным острием пропорционально числу элементов и эффективности их одновременного эмит-тирования.
Первым значительным шагом на пути создания матриц низковольтных автокатодов следует считать работы Спиндта. Такие катоды, названные авторами тонкоплёночными, изготавливают следующим образом. Подложку из кремния (рисунок) покрывают слоем термического окисла толщиной 1,5 мкм, на который напыляют модуляторный слой из молибдена толщиной 0,4 мкм. В молибдене с помощью электронно-лучевой литографии изготавливают отверстия диаметром 1-1,5 мкм. Затем в слое окисла под модулятором вытравливают полость. На молибден напыляют под углом 10°-30° слой окодда алюминия, после чего перпендикулярно поверхности еще раз напыляют молибден. Из-за постепенного запыления краёв отверстия на дне полости вырастает молибденовый конус эмиттера. Рост конуса прекращается после полного запыления отверстия. Толщина напылённого поверх окиси алюминия слоя молибдена составляет 4-8 мкм. После удаления лишних слоёв структура отжигается в вакууме.
Однако пленки тугоплавких металлов (Mo, W), используемых в качестве материала затвора, в процессе изготовления матрицы склонны к окислению. Это приводит к снижению электропроводности пленки затвора и, следовательно, к нарушению стабильности эмиссии электронов катодом. Кроме того, эти пленки отличаются большими внутренними механическими напряжениями, что вызывает их деформацию и отслаивание от изолирующей пленки SiO2. Для устранения перечисленных недостатков специалисты фирмы Sony предложили заменить тугоплавкий металл силицидом и формировать между затворным электродом и изолирующей пленкой слой поликристаллического кремния толщиной 50-100 нм. Это позволило снять внутренние напряжения металлической
пленки и обеспечить хорошую адгезию к SiO2. Недостатками данной структуры
7 8
являются потребность в сверхвысоком рабочем вакууме на уровне 10-10° Па и сложная электронно-лучевая технология с необходимостью высоконаправленного напыления молибдена. Это затрудняет изготовление матриц больших размеров (десятки квадратных сантиметров).
Технология изготовления тонкопленочных катодов Спиндта:
1 - подложка из кремния; 2 - слой термического окисла; 3 - модуляторный
" Л w __г "
слой; 4 - прослойка из окиси алюминия; 5 - напыляемый конус эмиттера;
6 - запыляемое отверстие в модуляторе
В целях уменьшения неравномерности эмиссии между остриями матрицы в цепь катода вводится так называемое вертикальное сопротивление. Для этого в катодной цепи между электродным и изолирующим слоями формируется ре-зистивный слой. Возникающее при этом между катодом и катодным электродом вертикальное сопротивление выполняет функцию отрицательной обратной связи (увеличение эмиссионного тока приводит к уменьшению напряжения на катоде, а уменьшение эмиссионного тока - к увеличению напряжения), при этом эмиссия катодов стабилизируется и выравнивается. Введение в систему резистивного слоя позволяет подавлять флуктуации тока эмиссии катодов во времени. Работы ученых из исследовательского подразделения корпорации Matsushita по изучению влияния величины вертикального сопротивления на ус-
тойчивость работы микрокатодной матрицы показали, что максимальный эффект достигается при величинах сопротивления свыше 50 МОм.
На основе вышеописанных элементов создаются вакуумные интегральные схемы (ВИС). Это устройства, в которых активными приборами являются электронно-вакуумные лампы, размеры которых сравнимы с размерами полупроводниковых транзисторов. ВИС способны работать на частотах до 1014 Гц. На сверхвысоких частотах ВИС работают более стабильно, что вызвано уменьшением интенсивности ионной бомбардировки катода.
При проектировании ВИС необходимо применять микрокатод из множества эмиссионных мест. Разрушение эмиттеров уменьшает срок службы и снижает выход годных автоэмиссионных микроприборов.
Среди разрабатываемых в настоящее время микрокатодных матриц можно выделить два основных типа: на стеклянных и кремниевых подложках. Главное преимущество матриц на стеклянных подложках - возможность изготовления на их основе дисплеев с экраном большого размера (45 см и более по диагонали). Матрицы на кремниевой подложке характеризуются высокой воспроизводимостью геометрических параметров и стабильностью свойств материала катодов, таких как работа выхода электронов, кроме того, есть возможность изготавливать элементы матрицы совместно с управляющими транзисторами.
В наиболее эффективных технологиях низковольтных автокатодов пару конструктивных элементов «эмиттер - отверстие модулятора» изготавливают самосовмещёнными способами: или напыляя конус эмиттера с использованием модулятора в качестве маски для формирования катода; или позиционируя отверстия с помощью напыляемой шляпки на остриях; или напыляя модулятор на окисел (кремниевый лезвийный автокатод). Это позволяет упростить и удешевить технологию изготовления приборов, а также, за счет более точного воспроизведения топологических размеров, повысить эмиссионные характеристики катодов.
Рассмотренные примеры конструкций острийных, лезвийных катодов и технологий их изготовления показывают, что практическая реализация матричных автоэлектронных катодов возможна только при разработке оптимальной конструкции с одновременным решением технологических вопросов и выбора материала катода.
Выводы
В наши дни электроника продолжает оставаться одним из наиболее перспективных применений вакуумной техники. При этом сейчас задачи, стоящие перед вакуумной техникой, связаны, в основном, не с откачиваемыми электронными приборами, а в большей степени - с технологическими процессами изготовления изделий микроэлектроники, включая интегральные схемы с субмикронными и нанометровыми размерами элементов, оптоэлектронику на основе наногетероструктур, твердотельную СВЧ-технику и т.д.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Чесноков В. В., Чесноков Д. В. Разработка вакуумных фотоэмиссионных приемников в интегральном исполнении для приема модулированных широкополосных сигналов // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2015. XI Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «СибОп-тика-2015» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 13-25 апреля 2015 г.). - Новосибирск : СГУГиТ, 2015. Т. 1. - С. 193-200.
2. Аваев Н. А., Наумов Ю. Е., Фролкин В. Т. Основы микроэлектроники. - М. : Радио и связь, 1991. - 288 с.
3. Гуртов. Твердотельная электроника. - М. : Техносфера, 2005. - 408 с.
4. Коледов Л. А. Технология и конструирование микросхем, микропроцессоров и микросборок. - М. : Радио и связь, 1989. - 421 с.
5. Легостаев Н. С., Троян П. Е., Четвергов К. В. Твердотельная электроника : учебно-метод. пособие. - Томск : ТУСУР, 2007. - 106 с.
6. Маллер Р. Б., Кейманс Т. Элементы интегральных схем. Пер. с англ. - М. : Мир. 1989. - 541 с.
7. Пасынков В. В., Чиркин А. К. Полупроводниковые приборы. - СПб. : Лань, 2001. -
480 с.
8. Степаненко И. П. Основы микроэлектроники. - М. : Лаборатория базовых знаний, 2004. - 488 с.
© А. С. Штейзель, И. Н. Карманов, 2018
