книги / Надежность в микроэлектронике

боры 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,

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

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

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

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.

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

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

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

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

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

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