НОВЫЕ РАЗРАБОТКИ В ОБЛАСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

В последнее время крупные разработчики полу­проводниковых приборов уделяют особое внимание соз­данию новых светодиодов, лазерных диодов и диодов Шоттки.

Совместная работа исследовательских лабораторий японской корпорации Toshiba и Кембриджского универси­тета привела к созданию светодиодов, позволяющих сде­лать оптоволоконную связь практически неуязвимой для перехвата. Ученым удалось за счет внедрения полупровод­никовых нанотехнологий получить новый тип излучающих светодиодов, испускающих по одному фотону в заданный промежуток времени. Одним из назначений данного изо­бретения является борьба против хакеров.

Исследователи из Sandia National Laboratories осу­ществили интеграцию квантовых точек в светодиод, в ре­зультате чего был получен источник белого света. Основ­ным отличием «квантовых» светодиодов Sandia от белых светодиодов, флуоресцирующих источников света и ламп накаливания является их высокая эффективность, деше­визна и простота изготовления, обусловленная отсутстви­ем сложных фосфористых соединений. Под квантовыми точками подразумеваются наноструктуры размером мень­ше длины волны видимого света. Наноструктуры перево­дятся в возбужденное состояние поглощением высоко-энергетичных ультрафиолетовых фотонов, а затем переиз­лучают тепловые фотоны в непрерывном спектре. На дан­ный момент используются наноструктуры (микрокристал­лы сульфата кадмия), которые излучают в видимом диапа­зоне только при возбуждении ультрафиолетом. Обычно эффективность (аналогичная коэффициенту полезного действия) у фосфористых источников не превышает 50% из-за рассеяния света, в то время как в новом светодиоде эффективность может быть близка к 100%, так как рассея­ние сводится к минимуму (из-за того, что размер наност­руктур меньше длины волны).

Японская компания Sony разработала новый двух-волновой лазерный диод, предназначенный для использо­вания в приводах дисков CD/DVD. При изготовлении дио­дов использована специальная гибридная технология, бла­годаря которой удалось разместить элементы лазера в столь малом объеме. Диоды крайне малы, их диаметр со­ставляет 5.6 мм, при толщине в 3 мм.

Диоды Шоттки основаны на эффекте образования потенциального барьера на границе между металлом и по­лупроводником и характеризуются малым временем пере­ключения.

Фирма Infineon, дочернее предприятие немецкого концерна Simens, приступила к промышленному произ­водству мощных диодов Шоттки на основе карбида крем­ния (SiC). Этот материал имеет ряд существенных пре­имуществ: по электропроводности не уступает меди, обес­печивает граничную частоту до 500 килогерц и выдержи­вает в десять раз более высокие напряжения, чем такие традиционные полупроводниковые материалы, как арсе-нид галлия, кремний, германий или селен. Благодаря таким параметрам новые диоды получат широкое применение при создании компактных и дешёвых электронных схем для компьютерной и телекоммуникационной техники (на­пример, малогабаритных блоков питания для компьюте­ров, которые не нуждаются в радиаторах и шумящих вен­тиляторах).

Компания Royal Philips Electronics выпустила се­мейство диодов Шоттки для использования в высокочас­тотных цепях в мобильных телефонах. Новые диоды имеют чрезвычайно низкую электрическую емкость (меньше 1 пФ). Из-за рекордно низких показателей ем­кости новые диоды особенно перспективны для всех устройств, где есть блоки преобразования ВЧ-сигналов, в особенности для сотовых телефонов.

Полупроводниковый транзистор рассматривается современными исследователями как элемент микросхем. Передовые достижения в области транзисторов обусловле­ны кризисом мощности, который заставляет инженеров пересматривать конструкцию таким образом, чтобы мини­мизировать потребляемый ток и/или выделяемую энергию.

Корпорация IBM разработала новый транзистор со сдвоенным затвором (Double Gate transistor). Новая конст­рукция позволяет удвоить пропускаемый по каналу элек­трический ток или уменьшить электрический потенциал, прилагаемый к затвору, без потери качества управления.

Технологией Double Gate IBM вклинивается в ос­новные структурные элементы транзисторов. Транзистор состоит из трех базовых элементов: истока, затвора и сто­ка. Затвор находится над истоком и стоком и на одинако­вом расстоянии от них — как перекладина буквы П. Исток и сток, в свою очередь, расположены поверх кремниевой подложки, а в случае IBM - еще и поверх слоя, называемо­го «кремний на изоляторе» (Silicon on Insulator, SOI).

В транзисторах со сдвоенным затвором затвор не просто помещается над парой исток-сток, а охватывает ее с обеих сторон как тиски. Вся эта структура размещается на слое SOI. Причем буква П поворачивается на бок, так что все три элемента касаются слоя SOI, в результате качество изоляции улучшается.

Специалисты компании AMD (Advanced Micro De­vices) считают, что ускорение работы транзисторов и их дальнейшая миниатюризация - основное условие получе­ния более мощных процессоров, и предлагают для этого несколько путей.

Первый из предложенных способов основывается на технологии FDSOI (полностью обедненный кремний на изоляторе). Транзисторы, изготовленные по такой техно­логии, обгоняют в быстродействии транзисторы PMOS (металлоксидный полупроводник с Р-каналом) на 30%. Еще одна технология, разработанная исследователями AMD, заключается в применении напряженного кремния (Strained Silicon) в сочетании с металлизированными за­творами. Металлизированные затворы - новейшая разра­ботка компании AMD, использующая для создания затво­ров силицид никеля, в отличие от обычных транзисторов, в которых для данной цели служит поликристаллический кремний. Быстродействие транзисторов, использующих металлизированные затворы, на 25% превышает скорость работы обычных транзисторов. Использование металлизи­рованных затворов позволит усовершенствовать сущест­вующий процесс изготовления транзисторов и обеспечит их дальнейшую миниатюризацию.

Современные транзисторы SOI работают на тонком слое кремния, под которым находится изолятор, не допус­кающий утечки тока в подложку. Быстродействие такого транзистора зависит от толщины кремния, чем подложка тоньше, тем выше скорость тока, и, соответственно, уско­ряется работа транзистора. Полностью обедненный крем­ний позволяет достичь наивысшего на данный момент бы­стродействия. Заряд может течь быстрее не только за счет уменьшенной толщины кремния, но и за счет того, что его кристаллическая решетка разрежена - атомы более удале­ны друг от друга. Исследователи полагают, что сочетание технологий полностью обедненного кремния и металлизи­рованных затворов обеспечит дополнительные преимуще­ства при разработке микросхем на основе новых полупро­водниковых технологий.

Корпорация Intel разработала транзисторы принци­пиально новой конструкции под кодовым названием TeraHerz и создала новые материалы для их изготовления. Новая технология устраняет выявленные в последнее вре­мя препятствия технического характера, замедляющие темпы развития полупроводниковых технологий. Резуль­татом применения новых транзисторов станет резкое на­ращивание быстродействия компьютерных микросхем, повышение эффективности энергопотребления, снижение тепловыделения. Новый транзистор имеет сверхтонкую кремниевую подложку, которая отличается от устройств традиционной компоновки по принципу «полупроводник на изоляторе» прежде всего тем, что изготавливается из полностью обедненного материала, позволяющего генери­ровать максимальный ток возбуждения при включенном транзисторе, что повышает скорость выполнения цикличе­ских переключений.

При выключенном же транзисторе утечка тока снижается до минимума благодаря тончайшему изоли­рующему слою. Таким образом, утечка тока в транзисторе на обедненной подложке в 100 раз ниже аналогичного по­казателя транзисторов, скомпонованных по традиционной схеме «полупроводник на изоляторе». Еще одним новше­ством, примененным в транзисторах на обедненной под­ложке, являются контакты с низким сопротивлением, встроенные в верхнюю часть полупроводникового слоя. Благодаря этому транзистор отличается чрезвычайно ма­лыми размерами, высоким быстродействием, низким энер­гопотреблением.

Вторая ключевая составляющая транзисторов сле­дующего поколения - новый материал изготовления под­ложки, призванный заменить диоксид кремния. Во всех транзисторах имеется изолирующий слой, отделяющий «затвор» транзистора от его активной зоны. В современ­ных транзисторах, обладающих рекордными показателями, толщина изолирующего слоя затвора, изготавливаемого из диоксида кремния, не превышает 0,8 нанометров, что при­мерно соответствует толщине трех слоев атомов. И, тем не менее, утечка тока даже через столь тончайший изоли­рующий слой становится одним из главных факторов по­вышенного энергопотребления.

Новые транзисторы Intel способны побить рекор­ды быстродействия за счет применения материала нового типа, названного «высокоизолирующим диэлектриком К-затвора». По сравнению с диоксидом кремния, новый материал более чем в 10000 раз снижает утечку тока че­рез затвор. Высокоизолирующий диэлектрик К-затвора изготавливается на основе принципиально новой техно­логии, названной «атомно-послойным осаждением» и по­зволяющей наращивать новый материал послойно. При этом толщина такого слоя не превышает одной молекулы. На практике это означает рост производительности, сни­жение тепловыделения, значительное продление сроков службы батарей питания мобильных устройств.

Одним из основных направлений является мини­мизация размеров микросхем, используемых в ноутбуках, мобильных телефонах, медицинской диагностической ап­паратуре, коммуникационных устройствах, оптоэлектронной технике. Японская компания Toshiba разработала мно­гокристальную микросхему длиной всего 10 мм и шири­ной 7 мм. Размеры новой разработки примерно на три­дцать процентов меньше предшественников, что упрощает использование таких микросхем в сотовых телефонах. Компания Linear Technology создала новые операционные усилители, обладающие низким уровнем шумов, высокой эффективностью усиления, быстрым нарастанием выход­ного напряжения, что делает эти продукты подходящими для применения в медицинской диагностической аппара­туре, коммуникационных устройствах и оптоэлектронной технике.

В силовой электронике в настоящее время получи­ли распространение IGBT-транзисторы или биполярные транзисторы с изолированным затвором, в которых в отли­чие от классического биполярного транзистора инжекция носителей в базу осуществляется не р-n переходом база-эмиттер, а полевым транзистором с изолированным затво­ром. Такая конструктивная особенность приводит к cледующим важным свойствам: база как конструктивный элемент, через который осуществляется пролет носителей, отсутствует; эмиттер имеет площадь, сравнимую с площа­дью коллектора; эмиттер и коллектор могут быть разнесе­ны на значительное расстояние, что в совокупности с ма­лым легированием коллектора позволяет достичь значи­тельных пробивных напряжений; приборы этого типа не могут достичь частотных характеристик как полевых тран­зисторов, так и классических биполярных. Современные IGBT-транзисторы могут работать на частотах до 75 кГц при рабочем напряжении 1200 В и токе до 78 А.

При подготовке этого параграфа использованы ма­териалы сайтов: cdrinfo.com, intel.com, philips.com, air-tonspb.ru, baltnet.ru, CNews.ru, news.ferra.ru, old.compu-terra.ru,. pchome.ru, platan.ru, xterra.ru.