книги / Надежность в микроэлектронике
..pdfборы второго типа после переключения запоминают но вое состояние, из которого они опять могут быть пере брошены в исходное состояние. Ясно, что характеристи ки «рабочих» импульсов отличаются от характеристик перебрасывающих импульсов. Приборы отличаются вы сокой радиационной стойкостью.
Переключение запоминающих свое состояние при боров объясняется однозначно фазовыми переходами. Теорий же, объясняющих явление обратимого пробоя, много* они и чисто термические, и электронные, и элек тротермические. Причем имеются и весьма любопыт ные. Так оказалось, что теория, основанная на элек тронном ионизационном процессе и эффекте туннельной инжекции электронов, дает следующее выражение для пробивной напряженности пленок моноокиси кварца:
£ лр = 3- 106/rfI/2,
где d — толщина пленки |
(мкм), а Епр — пробивная на |
пряженность (В/см). Но |
если предположить, что в кон |
денсаторной структуре с диэлектриком из моноокиси кремния имеются микропоры, то пробой воздуха в та кой сквозной поре подчиняется зависимости, совпада ющей с ранее полученной из сложной теории, упоми навшейся выше. Причем такая закономерность начи нала наблюдаться в конденсаторных структурах, выне
сенных |
в атмосферу |
из вакуумной установки, а |
в ва |
|
кууме |
зависимость |
£ Пр ~ ^ ~ 1/2не |
обнаруживалась. |
Ко |
нечно, |
возможно, что обратимый |
пробой в различных |
по геометрии структурах и с различными веществами имеет и различную природу. Остановимся на пробое слоев бора-атомарного полупроводника. Обратимый пробой с изменениями пробивного напряжения и тока
при пробое наблюдался при 4,2 К, |
7,7 К и |
293 К |
(20°С) : 115± 15 В, и, по-видимому, |
характер |
пробоя |
сохранит свой вид и при более высоких температурах. Так что температурный диапазон таких приборов ши рок. А при переходе к высокотемпературным окислам и жидким полупроводникам, температурный диапазон расширится в сторону высоких температур, а использо вание однородных жидких полупроводников обеспечит высокую надежность таких устройств.
Область высоких температур микроэлектроники за полнят уже не твердотельные схемы, а схемы на ва куумных микроприборах, которые будут работать с
400^600°-С и выше. Оценку минимальных размеров активного вакуумного прибора— триода сделать труд но, так как она основывается на формулах коэффици ента усиления, выведенных для широко применяющих ся в промышленности электродов. А микротриод будет иметь нестандартную геометрию. Например, отпадает привычное понятие ячейки сетки. Сеткой могут быть две суживающиеся навстречу друг другу металлические полоски с небольшим зазором между ними. Они будут иметь одинаковый потенциал и будут расположены над катодом.
Оценка минимальных размеров триода начнется с определения площади катода. Зная материал катода и плотность тока при заданной температуре, легко вычис лить площадь при известной величине требуемого то ка. Если положить плотность тока в 103 мА/см2 (что завышено), а требуемый ток в 1 мА, то площадь като да будет 0,3X0,3 мм2 или 300X300 квадратных микрон.
Как видим, площади значительные, а это означает, что поиски катодов для вакуумных микродиодов и мик ротриодов будут продолжаться.
Ограничения по высоте триода связаны в первую очередь с «островным» эффектом. Именно для того, чтобы поле сетки действовало на весь катод, и он пре кращал эмиссию со всей площади, необходимо поме щать сетку от катода на расстоянии, не меньшем по ловины ячейки сетки. В нашем случае, поскольку элек троды сетки имеют сложную форму, легче смоделиро вать триод, чем получить расчетные формулы строго теоретически. Пока можно смело утверждать, что раз меры вакуумных микроприборов на несколько поряд ков больше твердотельных. Другой существенный не достаток этих приборов будет связан с невысокой на
дежностью, |
вызванной |
наличием границы твердое |
те |
л о — вакуум. |
Во-первых, |
может начать проявляться |
ис |
парение в объем прибора с последующей произвольной конденсацией более интенсивное, чем с поверхности объемного куска, поскольку пленки могут быть напря женными, с большим числом дефектов. И если энергия активации такой поверхностной ^самодиффузии испаре нием (при которой атом как бы каждый раз испаря ется— отрывается от поверхности и затем конденси руется, т. е. при поверхностной диффузии прыжкованием) равна 2/3 теплоты испарения для объемных ме
таллов с гранецентрированной решеткой, то для метал лических пленок теплота испарения будет конечно меньше теплоты испарения объемного монокристалла металла; а теплота испарения металлических атомов с поверхности диэлектрика, разъединяющего электро ды микрсвакуумных приборов чаще всего неизвестна, но будет небольшой по сравнению с энергией актива ции самодиффузии. Далее атомы могут скользить по поверхности, при этом длина пробега существенно большая, так что суммарный коэффициент поверхност ной диффузии будет на несколько порядков (например, около пяти и более) больше объемных значений коэф фициента диффузии. Все это приводит к относительно быстрому закорачиванию катода с сеткой, сетки с ано дом. Так что времена жизни микровакуумных приборов будут небольшими, not повторяем, при высоких темпе ратурах вакуумные приборы пока незаменимы, так как нечем их заменить.
Особенность |
работы |
вакуумных |
приборов (диодов |
и триодов) заключается |
в том, что необходимо поднять |
||
температуру целиком всего прибора или нагреть толь |
|||
ко их катоды |
(мы не |
рассматриваем |
автоэлектронной |
эмиссии, требующей высоких напряженностей поля, ко торая, конечно, может найти применение в вакуумной, микроэлектронике). Далее если у некоторых широко зонных полупроводников не обнаружатся мелкие при месные уровни* то для работы высокотемпературных приборов из таких полупроводников потребуется их по догрев.
То есть такие схемы при работе при нормальной окружающей температуре надо подогревать; возможно, будут греть не все устройства на таких схемах, а толь ко локально сами приборы, требующие подогрева или схемы на них.
Интересно, что с точки зрения эксергии, т. е. макси мальной работы, которую может совершить данная система с учетом взаимодействия с окружающей сре дой, нагревание выгоднее охлаждения.
Например, эксергетический коэффициент полезного действия охлаждения блока с мощностью рассеивания ИЮ Вт при понижении, температуры блока с 150 до 7Г)°С равен 19,3%; а эксергетический коэффициент по лезного действия нагрева этого блока с 150 до 225° С равен 33,3%<
Итак, впереди непрерывные поиски, поиски техно логического использования диэлектриков, металлов и полупроводниковых материалов для высокотемператур ных приборов; создание и исследование на их основе приборов (причем может оказаться, что появятся ста бильные туннельные диоды); исследование надежности этих приборов с последующей корректировкой техноло гического процесса. А пока можно и надо создавать, исследовать приборы из уже изученных широкозонных полупроводников: арсенида галлия, фосфида галлия, нитрида галлия и т. д. и внедрять их в авиационную промышленность, в технологию электронных вычисли тельных машин и т. д. в виде высокотемпературных интегральных схем. И как мало таких работ, непости жимо мало! Наверное потому, что такое положение еще терпимо. Ну а что происходит, (если уровень техники становится нетерпимым, неудовлетворяющим потреб ностям текущего дня? Тогда происходит то, что мы ви дим на примере полупроводниковых преобразователей солнечной энергии.
По л у п р о в о д н и к о в ы е
пр е о б р а з о в а т е л и
с о л н е ч н о й э н е р г и и
вэ л е к т р и ч е с к у ю
Запасы химического топлива (угля, нефти и при родного газа) весьма ограничены. Ориентировочно они равны 12800 млрд, т условного топлива. Причем целе сообразно использовать в связи с трудностями добычи только 3800 млрд, т условного топлива (нефть состав ляет 370 млрд, т условного топлива). К концу нашего столетия будет потребляться 25 млрд, т условного хи мического топлива и тогда целесообразно извлекаемого топлива хватит приблизительно только на 150 лет. По этому все большее значение в получении энергии при обретают гидроэлектростанции, атомные электростан ции; исследования управляемого термоядерного синте за, тепла земных недр и солнечной энергии.
Будем рассматривать преобразование последней только с помощью полупроводниковых фотопреобразо
вателей. Солнечной энергии много, если собрать ее с 0,1% земной поверхности и преобразовать с коэффи циентом полезного действия равным 10% в электриче скую энергию, то будет получено электроэнергии в де сятки раз больше, чем ее сейчас получают на земном шаре.
Пока используют полупроводниковые фотопреобра зователи весьма ограниченно, несмотря на завидность чистоты преобразования энергии, не загрязняющего окружающую среду. Это связано с высокой стоимостью преобразования, превышающей на два порядка стои мость получения электроэнергии тепловыми и гидро электростанциями. Используют полупроводниковые фо тоэлектрические источники весьма успешно в труднодо ступных районах, в тех местах, где затруднена частая смена источников. Они устанавливаются для питания радиопередатчиков на вершинах гор для служб лесно го хозяйства. Только один раз в год приходится прове рять состояние аккумуляторов установки, а время жиз
ни |
используемых |
кремниевых источников исчисляеч~я |
в |
10— 15 лет. От |
аналогичных источников питается |
установленный в Тихом океане маяк мощностью 120 Вт; сигнальные огни на нефтяных вышках получают элек троэнергию, накопленную аккумуляторами от солнеч ных батарей, у нас давно были успешно испытаны сол нечные батареи для питания установок катодной защи ты опор линий передачи и т. д. Мы не рассматриваем широкое применение солнечных батарей в космосе, мы рассматриваем только их применение в наземных ус ловиях.
Американцы считают, что если им удастся к 2000 г. с помощью фотоэлектрических преобразователей удов летворить потребность страны в электроэнергии на один или два процента, то трудно будет точно оценить сэко номленные миллиарды долларов, особенно учитывая рост иен на нефть.
Напомним, как устроен и работает фотопреобразо ватель. Основную его часть составляет полупроводник. Падающий свет рождает пару электрон—дырка (при условии, что энергия фотонов больше энергии запре щенной зоны), т. е. перебрасывает электрон из валент ной зоны в зону проводимости. Это первое условие ра боты преобразователя. Второе условие заключается в необходимости разделения электронов и дырок, тогда
появится разность потенциалов. Разделяет носители разного знака барьер, прозрачный для носителей одно го знака и непрозрачный для носителей другого зна ка. Таким идеальным барьером служит электронно-ды рочный переход, поле которого перебрасывает неоснов ные носители и не пропускает основных. Благодаря та-
Рис. 7. Зависимость предельного коэффи циента полезного действия полупровод никового фотопреоб разователя от шири ны запрещенной зо
ны
кому разъединению появляются нескомпенсированные заряды дырок в дырочной области и электронов в элек тронной. Рассчитанная зависимость предельного коэф фициента полезного действия от ширины запрещенной зоны приведена на рис. 7. Под КПД полупроводнико вого фотопреобразователя понимают отношение полез ной электрической мощности к полной мощности сол нечного излучения, падающего на преобразователь.
Далее желательно: минимальное отражение свето вой энергии; минимальное поглощениефотонов без из лучения; рожденные носители должньг дойти до пере хода (иначе не возникает разность потенциалов). Для выполнения последнего требования рекомбинационные потери должны быть минимальны и не должны суще ственно уменьшать концентрации рожденных неравно весных носителей. И, наконец, последовательное элек тронно-дырочному переходу, сопротивление, образуемое омическими областями электронной и дырочной прово димости, а также контактами, должно быть мало, что бы потери напряжения на нем были пренебрежимы. Все вышеперечисленные факторы ведут к уменьшению
коэффициента полезного действия в 2 раза |
и более. |
Для получения преобразователей можно |
использо |
вать либо пластины монокристаллов, подвергнутые или диффузии, или эпитаксиальному наращиванию, или ион ной имплантации и т. д., либо это слои, осажденные вакуумным испарением или из газовой фазы при про
текании химической реакции или слои, полученные спо собами, используемыми в технологии толстых пленок (шелкографией) и т. д.
Понизить стоимость преобразованной солнечной энергии можно двумя путями: или повышением коэф фициента полезного действия, или удешевлением пре образователя.
Это было ясно и несколько лет назад. XX век по ставил много проблем, предложил даже не одно, а не сколько решений большинства проблем и сейчас в ос новном стоит вопрос, не что делать, а как делать, с помощью каких оптимальных технологических реше ний. Повторяем, решение вопроса о непосредственном преобразовании солнечной энергии может быть полу чено только при больших денежных затратах. Не слу чайно, среди капиталистических стран только Япония и Соединенные Штаты активно ведут поиски. В Соеди ненных Штатах так называемый Национальный науч ный фонд, раньше занимавшийся фундаментальными исследованиями, начал с начала 70-х годов заниматься исследованиями по общегосударственным прикладным проблемам; теперь он занят решением трех задач: ро стом производительности труда, чистотой окружающей среды и разработкой новых источников энергии. На ис следование фотопреобразователей в США в 1975 г. вы делено 2,25 млн. долларов, а в Японии на 1974— 1975 гг. на те же исследования выделено 3,1 млн. долларов. Предполагается в Японии к 1980 г. ввод, в эксплуата цию солнечной электростанции мощностью в 1 мВт, а в США к 2000 г. хотят получать от солнечных батарей 20000 мВт. Стоимость энергии, вырабатываемой сол нечными батареями, превосходит стоимость энергии, вырабатываемой, непрерывно работающими тепловыми электростанциями, в 200—500 раз. Понижение стоимо сти— основная задача. Оно планируется поэтапно.
Одновременно к 1983— 1985 гг. рассчитывают соз дать поточную линию изготовления панелей солнечных элементов, а к 1986 г. так развить производство, что стоимость производимой энергии станет равной или меньше стоимости, вырабатываемой тепловыми элек тростанциями. Первые панели будут маломощными и будут устанавливаться на крышах домов для индиви дуального пользования. К 1985 г. системы из солнеч ных батарей мощностью 10 мВт начнут снабжать элек-
троэнергиец населенные пункты и большие промышлен ные предприятия, а в 1990 г. гигантские системы мощ ностью до 100 мВт станут составной частью энергоси стем отдельных городов и районов США. Отдельные фирмы, помимо национального научного фонда, ведут самостоятельно интенсивные работы. Одна из фирм планирует использовать солнечные батареи для гидро лиза воды, с последующей подачей в топки в неосвещаемое солнцем время водорода и кислорода. Так сол нечная энергия круглосуточно будет питать производ ство; в другой фирме переводят электропитание части производственного процесса на питание от солнечных батарей.
Как будет понижаться стоимость батарей? Общие направления работ имеются, а. те конкретные решения, которые приведут к значительному удешевлению, по явятся в процессе создания партий солнечных элемен тов и их испытаний. Основной материал солнечных батарей — кремний. Это один из наиболее изученных полупроводниковых материалов, хотя величина пре дельного коэффициента полезного действия кремние вых солнечных элементов равна 25% (при максималь но достижимом для полупроводниковых преобразова телей 38% ).( Технология кремниевых приборов вслед ствие широкого развития кремниевых интегральных схем находится на высоком уровне, и она, конечно, использована в изготовлении кремниевых элементов (интересно, что изготовители ИС не проявляют инте реса к солнечным кремниевым батареям). Подешевление элементов требует «новых» решений (в кавычках потому, что в нижеописываемом направлении работы велись давно, но прекратились из-за недопустимых для изготовления кремниевых приборов характеристик по лучаемых кремниевых лент, а требования к материалу со стороны батарей ниже). Именно солнечные элемен ты должны получаться в поточном производстве с ми нимальными потерями кремния. Для этого более всего подходят монокристальные тонкие ленты, обеспечива ющие эффективное заполнение площади отдельного солнечного элемента.
Ленты кремния можно получать с помощью графи тового формообразователя — пластины с узкой щелью, погружаемой в расплав кремния. Вследствие капилляр ных сил расплав поднимается до соприкосновения с за
травкой. Недостатком этих лент было загрязнение кремния примесями из графитового формообразователя, постепенно уменьшавшееся при многократном вы тягивании, вследствие вымывания примесей; большую опасность представляют частицы образующегося кар бида кремния, изменяющие чистоту поверхности ленты и нарушающие однородность лент. Ведутся исследова ния по непрерывному покрытию кремнием движущей ся молибденовой ленты или ленты из нитрида. Ожи даемая площадь таких пластин приблизительно 1 м2 при толщине 0,1 мм. Исследуются солнечные элементы из поликристаллического кремния, хотя их КПД пока составляет всего 1%.
Больший КПД будет у батарей из кремния с не большим удельным сопротивлением. В настоящее вре
мя |
солнечные |
элементы |
для космоса изготавливаются |
из |
кремния с |
удельным |
сопротивлением 10 Ом-см, ли |
бо 2 Ом-см. Оказалось, что элементы из кремния с удельным сопротивлением 2 Ом-см подвержены старе нию и со временем их коэффициент полезного действия снижается. И все же изучаются элементы из более ле гированного кремния с удельным сопротивлением в десятые и сотые доли Ом-см. Получение низкоомного кремния без структурных дефектов обеспечит долговеч ность и высокий коэффициент полезного действия.
Уже изготавливают солнечные элементы с плот ностью упаковки 2000 переходов на 1 см, т. е. с рас стоянием между переходами в 10 мкм. Выходное на пряжение одной такой панели-пластины легко сделать равным стандартному сетевому напряжению. Осажде ние кремния на металлической пластине или напыле ние металла на поверхность кремния приводит к обра зованию диодов Шоттки.
Теоретический КПД невелик (15,7%) для диодов хром—кремний при удельном сопротивлении кремния 2 Ом-см, а реально он оказался ниже (8,1%). В таких элементах подкупает простота, а следовательно, деше визна изготовления.
Арсенид галлия стал уже тем изученным материГалом, предельный КПД которого близок к оптимально му. Большой коэффициент поглощения света в совокуп ности с высокими значениями поверхностной рекомби нации и малым временем жизни носителей приводит к большим потерям рожденных светом носителей заряда
ъ приповерхностной области, что обусловливает низкие значения КПД. Для повышения эффективности сол нечных элементов из арсенида галлия можно использо
вать |
две возможности: |
во-первых, |
закрыть |
от |
света |
|
слой |
арсенида галлия |
слоем |
из другого узкозонного |
|||
полупроводника, лишенного |
недостатка арсенида |
гал |
||||
л и я — малого эффективного |
времени |
жизни |
носителей |
и образующего с ним гетеропереход (эффективность повышается с 11 до 20%); во-вторых, создается тяну щее поле, увлекающее неосновные носители от поверх ности к электронно-дырочному переходу, вследствие не равномерного легирования переднего слоя (высокие концентрации примесей у передней части слоя спадают по направлению к электронно-дырочному переходу). Основной фактор, ухудшающий работу солнечных эле ментов из арсенида галлия, — это скорость поверхност ной рекомбинации. Например, эффективность преобра
зования солнечной энергии повышается |
с 13 до 17% |
при понижении скорости поверхностной |
рекомбинации |
с 107 до 105 см/с. Наличие встроенного поля, конечно, улучшает характеристики. Исследовались также пле ночные солнечные арсенид-галлиевые элементы на эф фекте Шоттки, полученные напылением тонких слоев меуалла. Но вот уже в 1975 г. достигнуты рекордные значения КПД преобразователей из арсенида галлия— в 21%. Они достигнуты на структурах, состоящих из следующих последовательных слоев: сильнолегирован ный электронный арсенид галлия, электронный арсе нид галлия, дырочный арсенид галлия, и наконец силь нолегированный дырочный AlGaAs, образующий гете ропереход с дырочным арсенидом галлия. При получе нии этой структуры использовалась жидкостная эпи таксия. Слой AlGaAs является прозрачным для фото нов, рождающих носителей в арсениде галлия дыроч ной проводимости, образующего электронно-дырочный переход со следующим слоем электронной проводимо сти арсенида галлия. Рожденные носители отрезаны от наружной поверхности крайнего слоя, слоя с повышен ной скоростью поверхностной рекомбинации. Это обес печивает высокое значение КПД. Необходимо отме тить, что пионерские работы по гетеропереходам и, в частности, по вышеупомянутым гетеропереходам при надлежат советскому ученому Ж. И. Алферову.
Арсенид галлия — дорогое соединение, кремний де