БАРЬЕРЫ, БАРЬЕРЫ, БАРЬЕРЫ...
Рост быстродействия компьютеров неразрывно связан с их миниатюризацией. Это и неудивительно. Скорость распространения электрических сигналов ограниченна. Поэтому чем меньше расстояния, которые приходится преодолевать импульсам (ими закодированы различные числа), попадая из одного блока ЭВМ в другой, тем выше быстродействие машины.
С созданием компьютеров третьего поколения, собранных на больших интегральных схемах, расстояния эти по сравнению с первыми ламповыми машинами сократились в десятки тысяч раз. И тут борьба за повышение быстродействия зашла в тупик.
Каждый автомобилист знает, что у машин, стремительных на шоссе, средняя скорость в городе сравнительно невелика из-за частых остановок у светофоров на перекрестках. Подобное происходит и с электрическими импульсами при их прохождении через транзисторы. Ведь как бы ни был сложен вычислительный процесс, в основе его — элементарные логические операции. Они реализуются включением и выключением транзисторов логических ячеек машины, на что, естественно, уходит какое-то время. Этот параметр и определяет сегодня быстродействие ЭВМ. А зависит он во многом от свойств полупроводника, из которого транзистор изготовлен.
Из германия и кремния уже «выжато» практически все, что они могли дать. Трудно предположить, что какие-то особые ухищрения могут повысить их быстродействие. Возможно, поэтому в «противовес» полупроводниковым ЭВМ появляются проекты оптических, биологических компьютеров, вычислительных машин на сверхпроводящих контактах... Но ведь не только германий и кремний обладают полупроводниковыми свойствами. Есть, скажем, такой малоизученный полупроводник, как арсенид галлия, используя который можно попытаться улучшить параметры работы компьютеров третьего и последующего поколений.
«УПРЯМЫЙ» АРСЕНИД И УПРЯМЫЙ ОВЧИННИКОВ
С арсенидом галлия — GaAs — у младшего научного сотрудника Московского института стали и сплавов Валерия Овчинникова отношения давние и, можно оказать, «натянутые». Если подсчитать, сколько проведено экспериментов по отработке технологии изготовления полевых транзисторов из этого соединения, то цифра, наверное, превысит несколько сотен. Цель стоила усилий, времени — расчеты специалистов показали, что быстродействие компьютера можно повысить в 10 раз при замене кремниевых транзисторов на арсенид-галлиевые. Но цель оказалась на редкость труднодостижимой.
Овчинникову нужно было выполнить всего четыре операции. Нанести на изолирующую подложку слой кристаллического полупроводника с хорошей проводимостью. Поверх него смонтировать две контактные площадки из металла — электроды транзистора. И, нарастив на промежуток между ними тонкий слой изолятора, опять же с кристаллической структурой, укрепить поверх него еще одну контактную площадку — управляющий электрод. Эта технология хорошо отработана для кремниевых транзисторов, а вот для арсенид-галлиевых...
Во-первых — подложка. Сама она участия в работе транзистора не принимает, но от нее зависит очень многое. Подложка, например, словно бы навязывает растущему на ней кристаллу свою атомную структуру, подобно тому, как «зародыш» снежинки определяет своеобразность ее узора. Если, скажем, межатомные расстояния подложки и полупроводника различны, го полупроводник начнет подстраиваться под структуру подложки. В атомной решетке полу-проводника возникают дефекты.
Этот вопрос решился довольно просто: в качестве изолирующей подложки Овчинников использовал тот же арсенид галлия, электрофизические свойства которого (в зависимости от структуры) могут меняться в довольно значительном диапазоне, и взял образец с таким распределением удельного электрического сопротивления, что, с одной стороны, он почти изолятор, с другой — полупроводник. А вот дальше дело застопорилось.
Получение качественных изоляторов — проблема непростая. Окисные пленки, которыми обычно изолируют управляющие электроды полевых транзисторов, должны иметь высокое напряжение пробоя и малую диэлектрическую проницаемость. Но, глав-
ное, в пленке, как и в самом полупроводнике, не должно быть дефектов. Любые нарушения атомной структуры поляризуют окисел, сообщают ему электростатический заряд. А этот заряд транзистор воспринимает как входной сигнал, даже если его и нет. У одиночного, или, как говорят специалисты, дискретного, транзисторе ложный сигнал еще как-то можно скомпенсировать, но ведь в микросхеме таких транзисторов сотни тысяч! К тому же, как показали исследования, ложные заряды в изоляторе «плавают», изменяя под влиянием входных сигналов величину и даже знак. Ясно, что о качественной работе микросхемы с «заряженными» транзисторами, говорить не приходится.
ОКИСЛЕНИЕ... НО БЕЗ КИСЛОРОДА!
Такие вот «заряженные» транзисторы получал Овчинников раз за разом, пробуя нанести на арсенид галлия окисные пленки. Для начала использовал уже известную технологию, хорошо отработанную для кремниевых транзисторов... Неудача... Но молодой ученый сумел отыскать ее причины.
 |
| Схема наращивания слоев кремния из жидкой фазы (Si + Sn) На первом этапе происходит предварительный нагрев расплава (участок 1). На втором этапе проводят травление, очищающее поверхность подложки от загрязнений (участок 2а), затем идет процесс наращивания кремния (участок 2б). Далее расплав остужают (участок 3). |
Удалось установить, что арсенид галлия «отобрал» атомы кислорода у окисной пленки, вместо транзистора получился слой окиси арсенида галлия, прикрытый сверху металлическим контактом затвора.
Окисел арсенида галлия. Его неожиданное появление подсказало новый путь поисков: вместо того чтобы подсаживать «чужой» окисел, можно просто окислить сам арсенид галлия. К примеру, с помощью плазменного анодирования.
Подробно описывать этот, сложный способ с использованием плазмотрона, высокочастотных электромагнитов, многочисленных контрольных приборов смысла нет: Овчинников им не воспользовался, потому что нашел путь куда проще.
внутри электрохимической ячейки — тонкостенного стеклянного стакана с электролитом — он укрепил полупроводниковую подложку и платиновый электрод. К подложке подключил «плюс» источника питания, к электроду — «минус». При электролизе с платиной — металлом очень стойким — ничего не случается, зато на анод оседают отрицательные ионы кислорода. Идет окисление арсенид-галлиевой подложки.
Чтобы получить пленку окисла требуемой величины, как показывали расчеты, нужны считанные минуты. Процесс настолько прост, что внедрение его не привело бы к дополнительным затратам на оборудование и обучение операторов. И все же метод, как говорится, не пошел. Почему?
Овчинников и тут проявил характер, нашел «виновника». Оказалось, кислород «присваивал» преимущественно галлий. При этом он как бы вытеснял мышьяк из соединения, и тому ничего не оставалось делать, как кристаллизоваться. Словом, полупроводник распадался на окись галлия и чистый мышьяк.
Но только ли кислород пригоден для окисления? Например, мышьяк в отличие от галлия можно окислить и фтором, тоже сильным окислителем.
В электролит добавили ионы фтора. По замыслам Овчинникова, должна была образоваться смесь окислов: «кислородный» — галлия и «фтористый» — мышьяка. Когда же подложку вынули из электрохимической ячейки, она была изъедена язвами. Питтинг, местная коррозия. Откуда? Начались новые исследования.
Иначе, как стало вскоре ясно, быть и не могло. Внедряясь в подложку, активные ионы фтора резко снижают электрическое сопротивление окисной пленки, и электроны из раствора устремляются в образовавшиеся «пробоины». Атом за атомом, молекулу за молекулой «разъедают» они в ослабленном месте полупроводник, словно электрод, помещенный в гальваническую ванну...
Выходит, чистый фтор для окисления неприемлем. А что, если ввести в полупроводник не чистый элемент, а устойчивые фтористые соединения?
Так пришел Овчинников к окончательному решению. Сначала из электролита в полупроводник гальванически ввели соединения фтора, затем, уже химически, из него вывели все лишнее. В поверхностном слое арсенида галлия остались «фтористые» и «кислородные» окислы, которые мирно — «бездефектно»! — сосуществовали друг с другом. А это значит, что путь к изготовлению сверхбыстродействующих арсенид-галлиевых микросхем наконец был открыт. Простая, надежная, дешевая технология была создана.
КРЕМНИЙ И ТРАНЗИСТОРЫ
В электронных вычислительных машинах кремниевые полупроводники, как говорилось, достигли предела быстродействия. Однако далеко не всегда нужны сверхбыстродействующие ЭВМ. Дешевизна и распространенность химического элемента кремния гарантируют изготавливаемым из него транзисторам работу на многие десятилетия, а то и века. Вот почему однокурсник Овчинникова — Владимир Липатов продолжал заниматься разработкой кремниевых транзисторов, совершенствовать технологию их изготовления.
Владимир закончил Московский институт стали и сплавов одновременно с Овчинниковым. Вместе поступили в аспирантуру, защитили кандидатские диссертации. Сейчас вместе работают на кафедре физической химии и технологии полупроводников.
Как и в любой отрасли промышленности, в электронной важна производительность труда. Ее повышение зависит от многих факторов, в том числе и от... геометрии.
Из полупроводниковой подложки диаметром 40 мм можно, к примеру, изготовить 10 транзисторов. Из подложки диаметром 60 мм — в два с лишним раза больше. Казалось бы, чем больше диаметр подложки, тем выше и производительность труда? Нет, это заключение чисто умозрительное.
Дело в том, что для изготовления транзисторов однородную подложку из высокоомного кремния нужно превратить в своеобразный бутерброд, сделав основную его толщу низкоомной. Для этого кремниевые подложки в специальных газовых реакторах как бы пропитывают на определенную глубину при температуре 1250° С примесями, например, фосфором. Однако уточним: это если диаметр подложки 40 мм. Подложку с диаметром, скажем, 60 мм в реакторе приходится выдерживать при более высокой температуре — 1350° С и более продолжительное время. Иногда из-за различных физических свойств слоев на их границе возникают напряжения. Чтобы 60-миллиметровым заготовкам придать большую прочность, их стали делать толще, чем 40-миллиметровые. Ну а чем больше толщина полупроводника, тем, понятно, больше времени приходится «пропитывать» его фосфором. Вот тут-то и «плывут» все расчеты по росту производительности труда...
К тому же подобных температурных нагрузок — свыше 1300 °С — не выдерживают даже тугоплавкие кварцевые реакторы. Ну а если еще учесть, что вместе с фосфором в полупроводник проникают и различные нежелательные примеси, отфильтровать которые заранее невозможно, а чистота материала в шесть «девяток» после запятой сегодня уже мала, то станет ясно, что осаждать из расплава металла (к примеру, олова) кремний на подложку-затравку (из того же кремния) гораздо проще и выгоднее, чем использовать малопроизводительную дорогостоящую технологию с тугоплавкими реакторами.
Заметим, что при выращивании кремниевой подложки в нее не только не проникают примеси из расплава, но расплав сам вытягивает их! Происходит как бы самоочищение полупроводника.
Итак, контейнер с расплавом олова, насыщенного кремнием, кассеты с подложками-затравками. Вот и все оборудование, что необходимо для организации производства полупроводников новым способом. Так, по крайней мере, виделось молодому физику воплощение идеи.
Дело, впрочем, еще не дошло до практических экспериментов, когда Владимир отыскал кандидатскую диссертацию новосибирского ученого Пака. Речь о ней шла как раз об осаждении полупроводниковых пленок из расплавов. 8 частности, о том, что эксперименты с кремнием дают отрицательный результат.
Приговор идее? Первые же опыты подтвердили, что новосибирский ученый прав: вместо того чтобы покрыть подложку ровным слоем, кремний образовал на ней некое подобие крошечных сталактитов. Остальная часть полупроводника быстро кристаллизовалась в самом расплаве.
Ну что ж, отрицательный результат — это тоже результат. Спорить трудно. Впрочем, есть и другая поговорка: если все получается слишком гладко, значит, где-то ошибка. Липатов на мгновенный успех не рассчитывал.
Предстояло разобраться, в чем загвоздка — в расплаве или в подложке?
И РАСПЛАВ, И ПОДЛОЖКА
Липатов обратился за помощью в Институт металлургии имени А. А. Байкова АН СССР. Младший научный сотрудник Александр Николаев взялся за изучение физико-химических свойств расплава. А сам Липатов продолжал тем временем исследовать подложку.
Постепенно становилось ясно, почему кремний из расплава оседает на подложку неравномерно. Виною оказалась окисная пленка на ее поверхности. Как ни быстро переносили подложку после очистки в контейнер с расплавом, окисная пленка успевала образоваться, и в эксперименте изолировала подложку от расплава. Где выход? Липатов прибегнул к приему, испокон веков известному... лудильщикам. В расплав он ввел компоненты, очищающие кремний от окислов, подобно тому, как флюс при пайке очищает от окислов и загрязнений металлические поверхности.
К тому времени у Николаева были готовы диаграммы состояний расплава, рассчитаны скорости охлаждения, при которых кремний кристаллизуется строго на подложке, а не в самом расплаве. Вместо десятков часов изготовление транзисторов стало занимать десятки минут.
В 1984 году работа Овчинникова, Липатова и Николаева была удостоена премии Ленинского комсомола и Диплома АН СССР, ежегодно присуждаемого молодым ученым в области физхимии. Завершен один из этапов научной работы. А впереди новые.
Комментариев нет:
Отправить комментарий