eng
Выпуск #5/2008
А.Деспотули, А.Андреева.
Наноионные приборы в глубоко субвольтовой наноэлектронике
Наноионные приборы в глубоко субвольтовой наноэлектронике
Просмотры: 2270
По мере уменьшения размеров элементов интегральных схем (ИС) в наноэлектронике все более актуальны поиски альтернатив традиционным приборам – полупроводниковым полевым транзисторам и высокоемким пленочным конденсаторам, предельные характеристики которых ограничены туннельным эффектом.
Проблема высокоемких конденсаторов была названа фундаментальной для микроэлектроники еще в 1965 году [1]. За прошедшие годы огромные вложения в исследования и разработки не дали результатов: плотность емкости, радиационная и температурная стойкость конденсаторов традиционных конструкций не были достигнуты. В современных портативных приборах ультраплотного поверхностного монтажа, где используются электронные компоненты в наименьшем корпусе 01005 (400?200?200) мкм конденсаторы емкостью C > 0,01 мкФ имеют большие габариты. Напряженность электрического поля пробоя Fmax, диэлектрическая проницаемость k и плотности емкости* ?С и ?C конденсаторов связаны с напряжением электропитания Vdd ИС соотношением:
Vdd ? Fmax (k? ?0 / ?С)1/2 = Fmax k ?0 /?C , (1)
где ?0 = 8,85 10-12 Ф/м.
В микро- и наноэлектронике действует долгосрочная тенденция понижения Vdd. ИС становятся субвольтовыми. На рис.1 показан прогноз International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) для Vdd и длины затвора Lg нанотранзисторов интегральных схем массового производства. Энергия конденсатора быстро уменьшается с Vdd, но компенсировать это падение увеличением ?С и ?C невозможно, так как в субвольтовой области у тонкопленочных конденсаторов традиционных конструкций величины ?С и ?C ограничены экспоненциально возрастающим туннельным током утечки через слой диэлектрика толщиной менее d = Vdd/Fmax ? 1–1,5 нм.
Массовый выпуск ИС с Vdd = 0,5 В планируется на 2016 год (см. рис.1), но производство заказных ИС с Vdd < 0,5 В начнется раньше. Многим научно-техническим направлениям требуются сравнительно небольшие партии ИС, которые должны соответствовать другим требованиям по производительности, расходу энергии ? на обработку 1 бит и вероятности сбоя ferr , чем процессоры общего назначения. Например, критичны, прежде всего, к величине ? беспроводные сети сенсоров, объекты нано- и микросистемной техники (НМСТ) типа "умная пыль" (объем ~1 мм3), перспективные объекты нано- и микросистемной техники (НМСТ) объемом ~10-6 мм3 [2]), микрочипы радиочастотной идентификации (RFID), микросистемы терагерцовой спектроскопии для био-идентификации, военные приложения.
В микро- и наноэлектронике действует долгосрочная фундаментальная тенденция понижения расхода энергии ? на обработку 1 бит (рис.2). Она взаимосвязана с понижением Vdd в силу соотношения ? ~enVdd, где e – заряд электрона, а n – число электронов, участвующих в операции переключения нанотранзистора. Для обобщения понятия ИС, функционирующих вблизи теоретического предела расхода энергии ? на обработку 1 бит, в работе [3] был предложен термин "глубоко субвольтовая наноэлектроника" (ГСН). Типичная ИС в ГСН должна иметь плотность компонентов 1011–1012 см-2 и Vdd ~0,25 В.
Классические детерминированные ИС рассеивают энергию при выполнении каждой логической операции. Слово "детерминированные" означает, что вероятность ошибочного переключения отдельного транзистора ничтожно мала, perr ~10-25. При уменьшении топологических размеров в плоскости кристалла ИС с коэффициентом s < 1 рассеиваемая транзистором плотность мощности w возрастает [7]:
w ~ (Vdd/s)2. (2)
В современных процессорах w ?100 Вт/см2 (Vdd ?1 В), что близко к предельным значениям для отвода тепла при воздушном охлаждении. Уменьшение размеров нанотранзисторов в условиях перегрева (w = const (100 Вт/см2)) требует понижения Vdd. При s-масштабировании условие w =const ограничивает Vdd сверху, а снизу на Vdd накладывает ограничение тепловой шум, который, из-за уменьшения в s2 раз энергии конденсатора на затворе полевых транзисторов, вызывает сбои при малых Vdd. Поэтому у детерминированных ИС области "1010 см-2–1010 Гц" Vdd должно быть не менее 0,3–0,4 В, если допустимая частота шумовых сбоев ferr ? 1/год [8].
При увеличении плотности компонентов до 1011–1012 см-2 величина ferr в детерминированных ИС резко возрастает. Это обусловлено перегревом, флуктуациями параметров наноприборов и влиянием шума. Создание надежных систем на основе наноприборов со статистическим поведением неизбежно ведет к отказу от парадигмы детерминированных ИС. Цифровая электроника может надежно функционировать в условиях сильных помех и при Vdd, близких к уровню шумовых источников. Сравнение эффективности различных архитектур ИС по величине "расход энергии ? время выполнения программы" показывает, что вероятностные 2-процессорные системы обеспечивают 3–500-кратное преимущество над детерминированными ИС при обработке изображений, видеопотоков, аудиоинформации, распознавании образов, шифровании и др. Министерство обороны США занимается проблемой развертывания встраиваемых автономных когнитивных информационных систем, которые на основе вероятностных моделей будут решать задачи в условиях недостаточности и неточности данных [9].
Другой подход к построению устойчивых к шуму и отказам приборов состоит в обеспечении параллелизма работы избыточных электронных компонентов и/или повторном выполнении логических операций. ИС с плотностью компонентов ~1012 см-2 (50-кратная избыточность, perr ~10-4) могут работать с надежностью 90% в течение 10 лет [10]. Проблема получения надежной информации с помощью вероятностной логики от систем, содержащих ненадежные в работе компоненты, впервые рассмотрена в [11].
В 1969 году профессор Одесского технологического института холодильной промышленности А.А.Василевский сделал сообщение о новом научно-техническом направлении "микроионика", которое может быть определено как создание приборов на основе твердотельных ионных проводников. Цель направления – миниатюризация приборов с быстрым ионным транспортом (БИТ), уже существующих в таблеточной форме.
Термин "наноионика", как новая ветвь науки, и ее концепция предложены в работе [12]. Наноионика однозначно определяется:
1) своими собственными объектами (наноструктуры с БИТ);
2) предметом (свойства, явления, эффекты, механизмы процессов и приложения, связанные с БИТ на наномасштабе);
3) методами (создание материалов и нанообъектов с БИТ);
4) критерием (R/L~1, где R – наноразмер приборной структуры, а L – характерная длина, на которой значительно меняются связанные с БИТ свойства, явления, эффекты, механизмы процессов).
Существует два класса твердотельных наносистем и два принципиально разных направления в наноионике. Следует различать наносистемы-I на основе твердых тел с исходно низкой ионной проводимостью и наносистемы-II на основе передовых суперионных проводников (ПСИП), впервые введенные в [13].
Высокой ионной проводимостью обладают области пространственного заряда на поверхности кристаллов с ионным типом химической связи (эффект Леговека [14]). Поскольку указанные области с особыми свойствами имеют нанометровую толщину, то эффект Леговека относится к наноионике-I. На основе поверхностной ионной проводимости созданы наноструктурированные материалы с БИТ для портативных литиевых батарей и топливных элементов. Эти материалы обычно получают введением в основное вещество дисперсной фазы, создающей условия для разупорядочения исходной кристаллической структуры и появления высокой концентрации заряженных точечных дефектов (вакансии и междоузлия), а также двойного электрического слоя у гетерограниц.
В наноионике-II, наоборот, методами кристаллохимического дизайна гетерограниц создаются условия, обеспечивающие сохранение на гетеропереходах исходной, близкой к оптимальной для БИТ, кристаллической структуры ПСИП, которая обеспечивает рекордно высокие ион-транспортные характеристики [13]. Примерами наноионных приборов являются, в частности, наноионные суперконденсаторы (НСК), отличающиеся БИТ на функциональных гетеропереходах [13,15].
Потребность в высокоемких конденсаторах микронных размеров резко возрастает при уменьшения Vdd в наноэлектронике [1,15,16]. Тонкопленочные субвольтовые конденсаторы традиционных типов не имеют технологического запаса из-за экспоненциально возрастающего тока утечки (пленки диэлектрика толщиной d менее 2 нм). Диэлектрики с большими значениями k (сегнетоэлектрические керамики, ZrO2, HfO2, и др.) также не обеспечивают ?C > 15 мкФ/см2, поскольку величины k, Fmax, термическая и полевая стойкость к пробою уменьшаются при нанометровых d. Для портативных приборов с Vdd = 1,5–1 В лидер электронной индустрии "Murata" выпускает многослойные сегнетоэлектрические конденсаторы в корпусе 01005 емкостью Cmax = 0,01 мкФ (?С ? 0,6 мкФ/мм3, а эффективная, в пересчете на площадь основания корпуса, ?C ?12 мкФ/см2) с Vdd = 6,3 В. Несоответствие величин Vdd приборов и конденсаторов указывает на трудности Vdd – ?С (?C) масштабирования (проблема уменьшения d).
Субвольтовые конденсаторы микронных размеров традиционных конструкций не обеспечивают минимальные, необходимые многим приложениям, значения ?С >1 мкФ/мм3 и ?C >50 мкФ/см2. Такие емкости требуются для фильтрации помех и низкочастотного 1/f шума, сглаживания пульсаций, питания импульсных нагрузок при малых допустимых перепадах напряжения (?0,1 В), работы в условиях повышенных температур и проникающих ионизирующих излучений, накопления энергии от фотоэлементов, b- генераторов и других слаботочных источников в автономных приборах и т.д. Использование тренчевых структур с большими аспектными отношениями полностью не решает проблему увеличения ?С (?C) и вносит дополнительные технологические трудности (3D-микроструктуры вместо 2D-наноструктур). При переходе от субвольтовой наноэлектроники к ГСН необходимо дополнительно увеличить ?С и ?C еще в 10–20 раз.
В работах [13, 15–19] предложена концепция широкого использования в будущей наноэлектронике, беспроводных технологиях, микросистемной и космической технике, RFID, биомедицине, высокотемпературной электронике и др. высокоемких импульсных суперконденсаторов с БИТ на функциональных гетеропереходах ПСИП/электронный проводник (ЭП). Соответствующие приборы названы наноионными суперконденсаторами (НСК). НСК можно формировать с помощью вакуумных микроэлектронных технологий, по плотности энергии ?Е и емкости ?С они в 10–100 раз превосходят тонкопленочные субвольтовые конденсаторы традиционных типов.
Проблема гетеропереходов ПСИП/ЭП – низкая частота их функционирования, связанная с нарушением структуры для БИТ в молекулярно тонком слое ПСИП, прилегающем к ЭП. Предложено формировать когерентные (структурно упорядоченные) гетеропереходы ПСИП/ЭП с высокими частотно-емкостными характеристиками [17]. Некоторые условия создания когерентных гетеропереходов ПСИП/ЭП на основе наноионики ПСИП представлены в работах [13,20]. ПСИП имеют кристаллическую структуру, близкую к оптимальной для БИТ. В ПСИП ионы одного знака (например, анионы иода I- в ?-AgI) образуют жесткую подрешетку, в пустотах которой путем перескоков через потенциальные барьеры высотой ~0,1 эВ перемещаются подвижные ионы (катионы Ag+ в ?-AgI).
При подаче потенциала на структурно упорядоченный гетеропереход ПСИП/ЭП на нем индуцируются заряды противоположного знака. Индуцированному диполю может быть сопоставлена емкость e/V ? 0,3•10-18 Ф, где e = 1,6•10-19 Кл и V ? 0,5 В. На атомарно гладких гетеропереходах ПСИП/ЭП при плотности диполей 3•1014 см-2 суммарная плотность емкости составит ?C ~100 мкФ/см2. При кристаллографическом фасетировании границы емкость может быть повышена до значений ~103 мкФ/см2, что отвечает потребностям ГСН и связанных с ней технологий.
В ИПТМ РАН в рамках работ по наноионике [12] и наноионике ПСИП [13] созданы лабораторные образцы импульсных накопителей (прототипы НСК) с рекордно высокими характеристиками: на частотах до 1 МГц и температурах 85–180°C ?C ? 100 мкФ/см2 (?С > 10 мкФ/мм3), что значительно больше, чем у приборов-конкурентов – многослойных сегнетоэлектрических конденсаторов ультраплотного поверхностного монтажа (Samsung, TDK, Murata и др.), которые имеют очень ограниченный ресурс работы (несколько часов) при температурах ~150°C. Если проблема теплового перегрева в ГСН не будет решена, то операционная частота ИС с плотностью компонентов 1012 см-2 и Vdd ~ 0,5 В будет не выше ~107 Гц. В этом случае минимальные значения длительности цикла заряд-разряд у НСК должны быть ~10-7 с.
Экспериментально полученные в работе [15] высокие значения ?C > 100 мкФ/см2 на гетеропереходах ПСИП/ЭП могут быть обусловлены:
1) образованием атомарно плотной структурно-упорядоченной гетерограницы ПСИП/ЭП;
2) проникновением волновых функций ЭП в ПСИП и формированием на гетерогранице распределения зарядов, эквивалентного по емкости атомарно тонкому двойному электрическому слою;
3) большими значениями поляризации смещения у подвижных ионов в прилегающем к гетерогранице слое ПСИП. Использование методов инженерии гетерограниц, принципов внутренней самоорганизации и внешних методов воздействия, синергичных процессам самоорганизации в наносистемах ПСИП [13,20], позволит разработать эффективные и управляемые технологии для производства надежных в работе НСК с рекордно-высокими частотно-емкостными и энерго-мощностными характеристиками.
Разработанные импульсные накопители [15] уже сегодня могут использоваться в:
on-board на современных процессорах, где температура достигает 85–100°C,
электронике для глубокого бурения (150°C и выше),
приборных отсеках космических аппаратов, где существует проблема перегрева электроники (при 150°C ресурс работы сегнетоэлектрических конденсаторов – несколько часов).
Оценка ориентировочной стоимости рынка высокоемких конденсаторов микронных размеров может быть выполнена по формуле [15]:
...........
Например, в секторе приборов радиочастотной идентификации (RFID) у дешевых чипов конденсаторы энергетического блока занимают ? 1/4 площади, т.е. можно принять S ? 0,25. По прогнозам, с 2006 по 2016 год рынок RFID вырастет в 10 раз и достигнет ~ 26 млрд. долл. Таким образом, стоимость НСК в ГСН может составить ~10% валовой стоимости рынка чипов. Это вводит НСК в поле стратегических интересов сотен фирм и корпораций, нацеленных на завоевание рынков передовой наноэлектроники и связанных с ней технологий.
Опережающее развитие в России глубоко субвольтовой наноэлектроники и связанных с ней научно-технических направлений является перспективной национальной задачей, ее решение необходимо для успешного участия страны в глобальной технологической гонке. Национальный проект по глубоко субвольтовой наноэлектронике должен быть обеспечен достаточными "ресурсами" и преследовать серьезные стратегические цели.
Разработки и международное патентование высокоемких импульсных накопителей микронных размеров на основе передовых суперионных проводников смогут помочь отечественной полупроводниковой индустрии на выгодных условиях участвовать в процессе инновационного развития глубоко субвольтовой наноэлектроники и занять передовые позиции в стратегически значимой сфере.
Литература
1. Moore G.E. Cramming more components onto integrated circuits. – Electronics, 1965, v.38, р. 114–117.
2. Cavin R.K., Zhirnov V.V. Morphic architectures: Atomic-level limits. – Mater. Res. Symp. Proc., 2008, v. 1067E.
3. Despotuli A.L., Andreeva A.V. Applied nanoionics of advanced superionic conductors // 3-rd Int. Conf. on Micro-Nanoelectronics, Nanotechnology & MEMs (Micro&Nano 2007) Athens, Greece 18–21 November 2007. Abstracts.
4. Kish L.B. Termal noise driven computing. – Appl. Phys. Lett., 2006,
v. 89, р. 144104.
5. Keyes R.W. Miniaturization of electronics and its limits. – IBM J. Res. Develop., 2000, v. 44. #1/2, р. 84–88.
6. Cavin R.K., Zhirnov V.V., Herr D.J.C., Alba A., Hutchby J. Research directions and challenges in nanoelectronics. – J. Nanoparticle Research, 2006, v. 8, р. 841–858.
7. Cerofolini G.F. Realistic limits to computation. I. Physical limits. – Appl. Phys. A., 2007, v. 86, р. 23–29.
8. Kish L.B. End of Moore`s law: thermal (noise) death of integration in micro and nano electronics. – Phys. Lett. A., 2002, v. 305, р. 144–149.
9. Akgul B.E.S., Chakrapani L.N., Palem K.V. Probabilistic CMOS technology for cognitive information processing. – High Performance Embedded Computing Workshop. Massachusetts Institute of Technology. 19–21 September 2006.
10. Sadek A.S., Nikolie K., Forshaw M. Parallel information and computation with restitution for noise-tolerant nanoscale logic networks. – Nanotechnology, 2004, v. 15, р. 192–210.
11. J.von Neumann Probabilistic logics and the synthesis of reliable organisms from unreliable componens. In Automata Studies (C.E. Shannon and J. McCarthy, eds.), р. 43–98. Princeton Univ. Press. N.J. 1954.
12. Despotuli A.L., Nikolaichik V.I. A step towards nanoionics. – Solid State Ionics, 1993, v. 60, р. 275–278.
13. Despotuli A.L., Andreeva A.V., Rambabu B. Nanoionics of advanced superionic conductors. – Ionics, 2005, v. 11, р. 306–314.
14. Lehovec K. Space-charge layer and distribution of lattice defects at the surface of ionic crystals. – J. Chem. Phys., 1953, v. 21, р. 1123–1128.
15. Деспотули А.Л., Андреева А.В. Высокоемкие конденсаторы для 0,5 В наноэлектроники. – Современная электроника, 2007, № 7, с. 24–29.
16. Деспотули А.Л., Андреева А.В. Перспективы развития в России глубоко субвольтовой наноэлектроники и связанных с ней технологий. – Нано- и микросистемная техника, 2008, №10 (в печати).
17. Despotuli A.L., Andreeva A.V. Double-layer thin-film supercapacitors for nano-electro-mechanical systems (NEMS). – Proc. IARP International workshop "Micro Robots, Micro Machines, Micro Systems", Moscow,
April 24–25, 2003, р. 129–141.
18. Despotuli A.L., Andreeva A.V. Создание новых типов тонкопленочных суперконденсаторов для микросистемной техники и микро(нано)электроники (часть 1). – Микросистемная техника, 2003,
№ 11, с. 2–10.
19. Деспотули А.Л., Андреева А.В., Веденеев В.В., Аристов В.В., Мальцев П.П. Высокоемкие конденсаторы для ультраплотного поверхностного монтажа. – Нано- и микросистемная техника", 2006, № 3, с. 30–37.
20. Andreeva A.V., Despotuli A.L. Interface design in nanosystems of advanced superionic conductors. – Ionics., 2005, v. 11, р. 152–160.
Vdd ? Fmax (k? ?0 / ?С)1/2 = Fmax k ?0 /?C , (1)
где ?0 = 8,85 10-12 Ф/м.
В микро- и наноэлектронике действует долгосрочная тенденция понижения Vdd. ИС становятся субвольтовыми. На рис.1 показан прогноз International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) для Vdd и длины затвора Lg нанотранзисторов интегральных схем массового производства. Энергия конденсатора быстро уменьшается с Vdd, но компенсировать это падение увеличением ?С и ?C невозможно, так как в субвольтовой области у тонкопленочных конденсаторов традиционных конструкций величины ?С и ?C ограничены экспоненциально возрастающим туннельным током утечки через слой диэлектрика толщиной менее d = Vdd/Fmax ? 1–1,5 нм.
Массовый выпуск ИС с Vdd = 0,5 В планируется на 2016 год (см. рис.1), но производство заказных ИС с Vdd < 0,5 В начнется раньше. Многим научно-техническим направлениям требуются сравнительно небольшие партии ИС, которые должны соответствовать другим требованиям по производительности, расходу энергии ? на обработку 1 бит и вероятности сбоя ferr , чем процессоры общего назначения. Например, критичны, прежде всего, к величине ? беспроводные сети сенсоров, объекты нано- и микросистемной техники (НМСТ) типа "умная пыль" (объем ~1 мм3), перспективные объекты нано- и микросистемной техники (НМСТ) объемом ~10-6 мм3 [2]), микрочипы радиочастотной идентификации (RFID), микросистемы терагерцовой спектроскопии для био-идентификации, военные приложения.
В микро- и наноэлектронике действует долгосрочная фундаментальная тенденция понижения расхода энергии ? на обработку 1 бит (рис.2). Она взаимосвязана с понижением Vdd в силу соотношения ? ~enVdd, где e – заряд электрона, а n – число электронов, участвующих в операции переключения нанотранзистора. Для обобщения понятия ИС, функционирующих вблизи теоретического предела расхода энергии ? на обработку 1 бит, в работе [3] был предложен термин "глубоко субвольтовая наноэлектроника" (ГСН). Типичная ИС в ГСН должна иметь плотность компонентов 1011–1012 см-2 и Vdd ~0,25 В.
Классические детерминированные ИС рассеивают энергию при выполнении каждой логической операции. Слово "детерминированные" означает, что вероятность ошибочного переключения отдельного транзистора ничтожно мала, perr ~10-25. При уменьшении топологических размеров в плоскости кристалла ИС с коэффициентом s < 1 рассеиваемая транзистором плотность мощности w возрастает [7]:
w ~ (Vdd/s)2. (2)
В современных процессорах w ?100 Вт/см2 (Vdd ?1 В), что близко к предельным значениям для отвода тепла при воздушном охлаждении. Уменьшение размеров нанотранзисторов в условиях перегрева (w = const (100 Вт/см2)) требует понижения Vdd. При s-масштабировании условие w =const ограничивает Vdd сверху, а снизу на Vdd накладывает ограничение тепловой шум, который, из-за уменьшения в s2 раз энергии конденсатора на затворе полевых транзисторов, вызывает сбои при малых Vdd. Поэтому у детерминированных ИС области "1010 см-2–1010 Гц" Vdd должно быть не менее 0,3–0,4 В, если допустимая частота шумовых сбоев ferr ? 1/год [8].
При увеличении плотности компонентов до 1011–1012 см-2 величина ferr в детерминированных ИС резко возрастает. Это обусловлено перегревом, флуктуациями параметров наноприборов и влиянием шума. Создание надежных систем на основе наноприборов со статистическим поведением неизбежно ведет к отказу от парадигмы детерминированных ИС. Цифровая электроника может надежно функционировать в условиях сильных помех и при Vdd, близких к уровню шумовых источников. Сравнение эффективности различных архитектур ИС по величине "расход энергии ? время выполнения программы" показывает, что вероятностные 2-процессорные системы обеспечивают 3–500-кратное преимущество над детерминированными ИС при обработке изображений, видеопотоков, аудиоинформации, распознавании образов, шифровании и др. Министерство обороны США занимается проблемой развертывания встраиваемых автономных когнитивных информационных систем, которые на основе вероятностных моделей будут решать задачи в условиях недостаточности и неточности данных [9].
Другой подход к построению устойчивых к шуму и отказам приборов состоит в обеспечении параллелизма работы избыточных электронных компонентов и/или повторном выполнении логических операций. ИС с плотностью компонентов ~1012 см-2 (50-кратная избыточность, perr ~10-4) могут работать с надежностью 90% в течение 10 лет [10]. Проблема получения надежной информации с помощью вероятностной логики от систем, содержащих ненадежные в работе компоненты, впервые рассмотрена в [11].
В 1969 году профессор Одесского технологического института холодильной промышленности А.А.Василевский сделал сообщение о новом научно-техническом направлении "микроионика", которое может быть определено как создание приборов на основе твердотельных ионных проводников. Цель направления – миниатюризация приборов с быстрым ионным транспортом (БИТ), уже существующих в таблеточной форме.
Термин "наноионика", как новая ветвь науки, и ее концепция предложены в работе [12]. Наноионика однозначно определяется:
1) своими собственными объектами (наноструктуры с БИТ);
2) предметом (свойства, явления, эффекты, механизмы процессов и приложения, связанные с БИТ на наномасштабе);
3) методами (создание материалов и нанообъектов с БИТ);
4) критерием (R/L~1, где R – наноразмер приборной структуры, а L – характерная длина, на которой значительно меняются связанные с БИТ свойства, явления, эффекты, механизмы процессов).
Существует два класса твердотельных наносистем и два принципиально разных направления в наноионике. Следует различать наносистемы-I на основе твердых тел с исходно низкой ионной проводимостью и наносистемы-II на основе передовых суперионных проводников (ПСИП), впервые введенные в [13].
Высокой ионной проводимостью обладают области пространственного заряда на поверхности кристаллов с ионным типом химической связи (эффект Леговека [14]). Поскольку указанные области с особыми свойствами имеют нанометровую толщину, то эффект Леговека относится к наноионике-I. На основе поверхностной ионной проводимости созданы наноструктурированные материалы с БИТ для портативных литиевых батарей и топливных элементов. Эти материалы обычно получают введением в основное вещество дисперсной фазы, создающей условия для разупорядочения исходной кристаллической структуры и появления высокой концентрации заряженных точечных дефектов (вакансии и междоузлия), а также двойного электрического слоя у гетерограниц.
В наноионике-II, наоборот, методами кристаллохимического дизайна гетерограниц создаются условия, обеспечивающие сохранение на гетеропереходах исходной, близкой к оптимальной для БИТ, кристаллической структуры ПСИП, которая обеспечивает рекордно высокие ион-транспортные характеристики [13]. Примерами наноионных приборов являются, в частности, наноионные суперконденсаторы (НСК), отличающиеся БИТ на функциональных гетеропереходах [13,15].
Потребность в высокоемких конденсаторах микронных размеров резко возрастает при уменьшения Vdd в наноэлектронике [1,15,16]. Тонкопленочные субвольтовые конденсаторы традиционных типов не имеют технологического запаса из-за экспоненциально возрастающего тока утечки (пленки диэлектрика толщиной d менее 2 нм). Диэлектрики с большими значениями k (сегнетоэлектрические керамики, ZrO2, HfO2, и др.) также не обеспечивают ?C > 15 мкФ/см2, поскольку величины k, Fmax, термическая и полевая стойкость к пробою уменьшаются при нанометровых d. Для портативных приборов с Vdd = 1,5–1 В лидер электронной индустрии "Murata" выпускает многослойные сегнетоэлектрические конденсаторы в корпусе 01005 емкостью Cmax = 0,01 мкФ (?С ? 0,6 мкФ/мм3, а эффективная, в пересчете на площадь основания корпуса, ?C ?12 мкФ/см2) с Vdd = 6,3 В. Несоответствие величин Vdd приборов и конденсаторов указывает на трудности Vdd – ?С (?C) масштабирования (проблема уменьшения d).
Субвольтовые конденсаторы микронных размеров традиционных конструкций не обеспечивают минимальные, необходимые многим приложениям, значения ?С >1 мкФ/мм3 и ?C >50 мкФ/см2. Такие емкости требуются для фильтрации помех и низкочастотного 1/f шума, сглаживания пульсаций, питания импульсных нагрузок при малых допустимых перепадах напряжения (?0,1 В), работы в условиях повышенных температур и проникающих ионизирующих излучений, накопления энергии от фотоэлементов, b- генераторов и других слаботочных источников в автономных приборах и т.д. Использование тренчевых структур с большими аспектными отношениями полностью не решает проблему увеличения ?С (?C) и вносит дополнительные технологические трудности (3D-микроструктуры вместо 2D-наноструктур). При переходе от субвольтовой наноэлектроники к ГСН необходимо дополнительно увеличить ?С и ?C еще в 10–20 раз.
В работах [13, 15–19] предложена концепция широкого использования в будущей наноэлектронике, беспроводных технологиях, микросистемной и космической технике, RFID, биомедицине, высокотемпературной электронике и др. высокоемких импульсных суперконденсаторов с БИТ на функциональных гетеропереходах ПСИП/электронный проводник (ЭП). Соответствующие приборы названы наноионными суперконденсаторами (НСК). НСК можно формировать с помощью вакуумных микроэлектронных технологий, по плотности энергии ?Е и емкости ?С они в 10–100 раз превосходят тонкопленочные субвольтовые конденсаторы традиционных типов.
Проблема гетеропереходов ПСИП/ЭП – низкая частота их функционирования, связанная с нарушением структуры для БИТ в молекулярно тонком слое ПСИП, прилегающем к ЭП. Предложено формировать когерентные (структурно упорядоченные) гетеропереходы ПСИП/ЭП с высокими частотно-емкостными характеристиками [17]. Некоторые условия создания когерентных гетеропереходов ПСИП/ЭП на основе наноионики ПСИП представлены в работах [13,20]. ПСИП имеют кристаллическую структуру, близкую к оптимальной для БИТ. В ПСИП ионы одного знака (например, анионы иода I- в ?-AgI) образуют жесткую подрешетку, в пустотах которой путем перескоков через потенциальные барьеры высотой ~0,1 эВ перемещаются подвижные ионы (катионы Ag+ в ?-AgI).
При подаче потенциала на структурно упорядоченный гетеропереход ПСИП/ЭП на нем индуцируются заряды противоположного знака. Индуцированному диполю может быть сопоставлена емкость e/V ? 0,3•10-18 Ф, где e = 1,6•10-19 Кл и V ? 0,5 В. На атомарно гладких гетеропереходах ПСИП/ЭП при плотности диполей 3•1014 см-2 суммарная плотность емкости составит ?C ~100 мкФ/см2. При кристаллографическом фасетировании границы емкость может быть повышена до значений ~103 мкФ/см2, что отвечает потребностям ГСН и связанных с ней технологий.
В ИПТМ РАН в рамках работ по наноионике [12] и наноионике ПСИП [13] созданы лабораторные образцы импульсных накопителей (прототипы НСК) с рекордно высокими характеристиками: на частотах до 1 МГц и температурах 85–180°C ?C ? 100 мкФ/см2 (?С > 10 мкФ/мм3), что значительно больше, чем у приборов-конкурентов – многослойных сегнетоэлектрических конденсаторов ультраплотного поверхностного монтажа (Samsung, TDK, Murata и др.), которые имеют очень ограниченный ресурс работы (несколько часов) при температурах ~150°C. Если проблема теплового перегрева в ГСН не будет решена, то операционная частота ИС с плотностью компонентов 1012 см-2 и Vdd ~ 0,5 В будет не выше ~107 Гц. В этом случае минимальные значения длительности цикла заряд-разряд у НСК должны быть ~10-7 с.
Экспериментально полученные в работе [15] высокие значения ?C > 100 мкФ/см2 на гетеропереходах ПСИП/ЭП могут быть обусловлены:
1) образованием атомарно плотной структурно-упорядоченной гетерограницы ПСИП/ЭП;
2) проникновением волновых функций ЭП в ПСИП и формированием на гетерогранице распределения зарядов, эквивалентного по емкости атомарно тонкому двойному электрическому слою;
3) большими значениями поляризации смещения у подвижных ионов в прилегающем к гетерогранице слое ПСИП. Использование методов инженерии гетерограниц, принципов внутренней самоорганизации и внешних методов воздействия, синергичных процессам самоорганизации в наносистемах ПСИП [13,20], позволит разработать эффективные и управляемые технологии для производства надежных в работе НСК с рекордно-высокими частотно-емкостными и энерго-мощностными характеристиками.
Разработанные импульсные накопители [15] уже сегодня могут использоваться в:
on-board на современных процессорах, где температура достигает 85–100°C,
электронике для глубокого бурения (150°C и выше),
приборных отсеках космических аппаратов, где существует проблема перегрева электроники (при 150°C ресурс работы сегнетоэлектрических конденсаторов – несколько часов).
Оценка ориентировочной стоимости рынка высокоемких конденсаторов микронных размеров может быть выполнена по формуле [15]:
...........
Например, в секторе приборов радиочастотной идентификации (RFID) у дешевых чипов конденсаторы энергетического блока занимают ? 1/4 площади, т.е. можно принять S ? 0,25. По прогнозам, с 2006 по 2016 год рынок RFID вырастет в 10 раз и достигнет ~ 26 млрд. долл. Таким образом, стоимость НСК в ГСН может составить ~10% валовой стоимости рынка чипов. Это вводит НСК в поле стратегических интересов сотен фирм и корпораций, нацеленных на завоевание рынков передовой наноэлектроники и связанных с ней технологий.
Опережающее развитие в России глубоко субвольтовой наноэлектроники и связанных с ней научно-технических направлений является перспективной национальной задачей, ее решение необходимо для успешного участия страны в глобальной технологической гонке. Национальный проект по глубоко субвольтовой наноэлектронике должен быть обеспечен достаточными "ресурсами" и преследовать серьезные стратегические цели.
Разработки и международное патентование высокоемких импульсных накопителей микронных размеров на основе передовых суперионных проводников смогут помочь отечественной полупроводниковой индустрии на выгодных условиях участвовать в процессе инновационного развития глубоко субвольтовой наноэлектроники и занять передовые позиции в стратегически значимой сфере.
Литература
1. Moore G.E. Cramming more components onto integrated circuits. – Electronics, 1965, v.38, р. 114–117.
2. Cavin R.K., Zhirnov V.V. Morphic architectures: Atomic-level limits. – Mater. Res. Symp. Proc., 2008, v. 1067E.
3. Despotuli A.L., Andreeva A.V. Applied nanoionics of advanced superionic conductors // 3-rd Int. Conf. on Micro-Nanoelectronics, Nanotechnology & MEMs (Micro&Nano 2007) Athens, Greece 18–21 November 2007. Abstracts.
4. Kish L.B. Termal noise driven computing. – Appl. Phys. Lett., 2006,
v. 89, р. 144104.
5. Keyes R.W. Miniaturization of electronics and its limits. – IBM J. Res. Develop., 2000, v. 44. #1/2, р. 84–88.
6. Cavin R.K., Zhirnov V.V., Herr D.J.C., Alba A., Hutchby J. Research directions and challenges in nanoelectronics. – J. Nanoparticle Research, 2006, v. 8, р. 841–858.
7. Cerofolini G.F. Realistic limits to computation. I. Physical limits. – Appl. Phys. A., 2007, v. 86, р. 23–29.
8. Kish L.B. End of Moore`s law: thermal (noise) death of integration in micro and nano electronics. – Phys. Lett. A., 2002, v. 305, р. 144–149.
9. Akgul B.E.S., Chakrapani L.N., Palem K.V. Probabilistic CMOS technology for cognitive information processing. – High Performance Embedded Computing Workshop. Massachusetts Institute of Technology. 19–21 September 2006.
10. Sadek A.S., Nikolie K., Forshaw M. Parallel information and computation with restitution for noise-tolerant nanoscale logic networks. – Nanotechnology, 2004, v. 15, р. 192–210.
11. J.von Neumann Probabilistic logics and the synthesis of reliable organisms from unreliable componens. In Automata Studies (C.E. Shannon and J. McCarthy, eds.), р. 43–98. Princeton Univ. Press. N.J. 1954.
12. Despotuli A.L., Nikolaichik V.I. A step towards nanoionics. – Solid State Ionics, 1993, v. 60, р. 275–278.
13. Despotuli A.L., Andreeva A.V., Rambabu B. Nanoionics of advanced superionic conductors. – Ionics, 2005, v. 11, р. 306–314.
14. Lehovec K. Space-charge layer and distribution of lattice defects at the surface of ionic crystals. – J. Chem. Phys., 1953, v. 21, р. 1123–1128.
15. Деспотули А.Л., Андреева А.В. Высокоемкие конденсаторы для 0,5 В наноэлектроники. – Современная электроника, 2007, № 7, с. 24–29.
16. Деспотули А.Л., Андреева А.В. Перспективы развития в России глубоко субвольтовой наноэлектроники и связанных с ней технологий. – Нано- и микросистемная техника, 2008, №10 (в печати).
17. Despotuli A.L., Andreeva A.V. Double-layer thin-film supercapacitors for nano-electro-mechanical systems (NEMS). – Proc. IARP International workshop "Micro Robots, Micro Machines, Micro Systems", Moscow,
April 24–25, 2003, р. 129–141.
18. Despotuli A.L., Andreeva A.V. Создание новых типов тонкопленочных суперконденсаторов для микросистемной техники и микро(нано)электроники (часть 1). – Микросистемная техника, 2003,
№ 11, с. 2–10.
19. Деспотули А.Л., Андреева А.В., Веденеев В.В., Аристов В.В., Мальцев П.П. Высокоемкие конденсаторы для ультраплотного поверхностного монтажа. – Нано- и микросистемная техника", 2006, № 3, с. 30–37.
20. Andreeva A.V., Despotuli A.L. Interface design in nanosystems of advanced superionic conductors. – Ionics., 2005, v. 11, р. 152–160.
Отзывы читателей
