Материал: Функциональная электроника. учебное пособие. Свистова Т.В

Весьма перспективными являются полимерные сегнетоэлектрические пленки, нанесенные на поверхность кремния. Пленки наносятся методом литья из раствора винилиденфторида CH₂-CF₂ и трифторэтилена CH₂-F₂-CHF-CF₂ в ацетоне с последующим осаждением при температуре + (20 – 22) °С. Толщина пленок лежит в пределах от 6 до 20 мкм.

На пересечении информационных полей электрических и магнитных свойств диэлектриков (см. рис. 3.3) располагаются сегнетомагнитные кристаллы. Отличительной особенностью структуры сегнетоэлектриков является сосуществующие магнитная и электрическая взаимопроникающие решетки. Они образованы частицами, несущими электрические и магнитные дипольные моменты.

В диэлектриках этого класса обнаружен магнитоэлектрический эффект. Его сущность состоит в том, что в веществах определенной симметрии при наложении электрического поля появляется намагниченность, пропорциональная полю, и при приложении магнитного поля появляется электрическая составляющая, пропорциональная полю.

Сегнетомагнетики перспективны для устройств функциональной электроники второго поколения, где возможна интеграция эффектов и явлений за счет присутствия и среде спонтанной поляризации Р_х и спонтанной намагниченности М_s. К сегнетомагнетикам, прежде всего, относятся перовскитные соединения типа ферровольфрамат [Pb(Fe_2/3Nb_1/3)O₃] и феррониобат свинца [Pb(Fe_1/2Nb_1/2)O₃], а также феррит висмута (BiFeO₃), ренийсодержащие перовскиты (Sr₂CoReO₆, SrNiReO₆), сегнетомагнитные борацады (Mg₃B₇O₃Cl) и т. п.

Континуальные среды, соответствующие ячейкам информационного поля с координатами 1.1 - 4.1, 1.3 - 4.1, 1.3 - 4.3, 1.1 - 4.3 (см. рис. 3.3), обладают магнитострикциоными свойствами, а расположенные в информационном поле 2.1 - 4.1, 2.3 - 4.1, 2.1 - 4.3, 1.1 - 4.3 - магнитокалорическими.

Менее изучены свойства континуальных сред на пересечении оптических взаимодействий с механическими, тепловыми, электрическими и магнитными.

В ячейках с координатами 1.2 - 5.1 и 1.2 - 5.2 среды обладают упругооптическим эффектом, с координатами 2.1 - 5.1 и 2.1 - 5.2 - термооптическим эффектом (см. рис. 3.3).

Свойства сред, расположенных в ячейке 3.1 - 5.1, описываются эффектом Поккельса - п = f(E) и эффектом Керра - п = f(Е²). Среды, обладающие фоторефрактивным эффектом n = f(I) расположены в ячейках с координатами 5.1 - 5,3. Проведенный системный анализ диэлектрических континуальных сред позволяет более эффективно осуществлять их выбор для перспективных процессоров и запоминающих устройств.

3.1.3. Генераторы динамических неоднородностей

Генерирование динамических неоднородностей в диэлектрических континуальных средах осуществляется физическими полями. Динамические неоднородности в устройствах диэлектрической электроники, как правило, не перемещаются в континуальной среде. Информационный сигнал передается за счет изменения локальных физических свойств среды, прежде всего за счет локальных полей. При приложении электрического поля с помощью статических неоднородностей соответствующей конфигурации к сегнетоэлектрику в нем генерируется неоднородность в виде домена определенной поляризации. При приложении электромагнитного поля к сегнетоэлектрикам (например, KDP - дигидрофосфат калия, ADP – дигидрофосфат аммония и др.) можно получить динамические неоднородности, изменяющие оптическую плотность среды и способствующие линейному преобразованию падающего излучения. В любом случае реализуется элемент конструкции - генератор динамических неоднородностей.

3.1.4. Другие элементы приборов

В приборах и устройствах диэлектрической электроники управление динамическими неоднородностями, как правило, носит статический характер и осуществляется с помощью меняющихся физических полей, в зависимости от типа выбранной динамической неоднородности.

Детектором динамических неоднородностей является, как правило, локальная область, изменяющая свои свойства под действием физических полей. Считывание информации можно осуществлять и сканирующим детектором. В этом случае имеет смысл говорить о распределенном детекторе.

3.2. Приборы и устройства функциональной

диэлектрической электроники

3.2.1. Слоистые структуры

В приборах диэлектрической функциональной электроники используются, как правило, слоистые структуры. Слой активного диэлектрика применяется для хранения или обработки информации, а ввод и детектирование информации осуществляется в других слоях с соответствующими статическими неоднородностями.

Например, в структурах «сегнетоэлектрик - полупроводник» используется эффект поля. В этом случае свойства полупроводника определяются состоянием поляризации сегнетоэлектрика.

Если сегнетоэлектрик деполяризован (Р = 0), то на границе раздела «сегнетоэлектрик – полупроводник» n-типа нет изгиба зон (рис. 3.5, а). Собственный уровень Ферми Е_FC представляет собой прямую линию, а основные носители смешаны в полупроводнике с неосновными. При поляризации сегнетоэлектрика (- Р) у границы раздела в полупроводниковом слое образуется слой накопления основных носителей. Происходит изгиб зон, включая уровень Ферми, и при этом поверхностная плотность больше объемной плотности (рис. 3.5, б).

Если переполяризовать сегнетоэлектрик (+ Р), то у границы раздела в полупроводнике образуется слой обеднения основными носителями. Зоны изогнуться в противоположную сторону и поверхностная плотность будет меньше объемной плотности зарядов (рис. 3.5, в).

В таких структурах информация, соответствующая одному из направлений вектора спонтанной поляризации, может быть считана по изменению поверхностного потенциала по­лупроводника. Время перезаписи информации определяется временем переполяризации. В таких слоистых средах большое значение имеют электрические поля в сегнетоэлектриках. Поле спонтанной поляризации должно быть меньше коэрцитивного. (Коэрцитивное поле в сегнетоэлектриках – это электрическое поле, которое необходимо приложить к сегнетоэлектрику в полярной фазе для уменьшения его поляризации до нуля.) В этом случае энергия переключения знака поляризации меньше затрачиваемой энергии. Одновременно должно соблюдаться условие, при котором уровень коэрцитивного поля меньше уровня электрического пробивного поля. Это условие позволит производить переполяризацию сегнетоэлектрика без его разрушения.

Рис. 3.5. Изменение свойств полупроводника при изменении поляризации сегнетоэлектрика

Управляемость поверхностным потенциалом полупроводника в структуре типа «металл – сегнетоэлектрик – полупроводник» (МСЭП-структура) существенным образом зависит от качества границы раздела, от фиксированного в сегнетоэлектрике заряда Q_СЭ, заряда, захваченного на поверхностных состояниях полупроводника Q_SS.

Весьма перспективной является структура «сегнетоэлектрик – фотополупроводник». Такая структура помещается между оптически прозрачными проводяшими электродами. При локальном освещении полупроводника его сопротивление уменьшается, и все напряжение между проводящими электродами падает на слой сегнетоэлектрика. В освещенных областях сегнетоэлектрик переполяризуется. Возникающее пространственное распределение поляризации сегнетоэлектрика соответствует распределению освещенности и позволяет осуществить оптическое считывание.

3.2.2. Устройства памяти

Использование диэлектрических материалов при создании запоминающих устройств весьма перспективно для создания новых приборов, характеризующихся энергoнезависимостью, высоким выходным сигналом, устойчивостью к воздействию перегрузок и радиации. По функциональному назначению эти устройства близки к репрограммируемым полупроводниковым ЗУ (РПЗУ). Одними из первых устройств этого типа были сегнетоэлектрические ЗУ, изготовленные на поликристаллической сегнетокерамике типа цирконата - титаната свинца (PZT-керамика).

Запоминающее устройство изготовлялось на основе керамической пластины (2) в форме диска или прямоугольника, фрагмент которого изображен на рис. 3.6.

Рис. 3.6. Фрагмент устройства памяти

на сегнетоэлектрической PZT-керамике

Термическим напылением в вакууме на внешнюю поверхность наносились металлические электроды в форме секторов или прямоугольников (1). С другой стороны наклеивался сплошной электрод из латуни или инвара (3), который служил общим электродом и для еще одной пластины PZT-керамики (4) со сплошным электродом (5), присоединенной снизу. Такая слоистая структура из двух типов сегнетоэлектриков с электродами между ними представляет собой твердотельную память на диэлектрике.

Первоначально сегнетоэлектрик имеет остаточную поляризацию, например, отрицательную, при которой вектор остаточной поляризации – Р₂ направлен вниз. Этому состоянию памяти можно приписать хранение во всех разрядах информационных нулей. Это же состояние можно сформировать путем переполяризации секторов (разрядов) памяти, подавая отрицательный импульс напряжения с помощью коммутаторов 6 и 7.

Программирование запоминающего устройства происходит путем записи двоичной единицы информации в соответствующий разряд памяти (+ Р₂). С этой целью туда необходимо подать положительный импульс напряжения соответствующей комбинацией коммутаторов 6 и 8. Амплитуда и длительность положительного импульса определяется процессом локальной переполяризации сегнетокерамики. После снятия напряжения записи заданное направление поляризации сохраняется в силу гистерезисных свойств сегнетокерамики.

Процесс считывания двоичной информации основывается на пьезоэлектрических свойствах сегнетокерамики. Так, если к электродам 3 и 5 сегнетокерамики 4 приложить напряжение с помощью коммутатора 9, то возникнет механическая деформация. Импульс деформации от изгибающего элемента 4 пройдет через сегнетокерамику 2 и индуцирует на секторных электродах заряд, соответствующий ранее записанной двоичной информации. Этот заряд может быть считан как соответствующий ему потенциал с помощью коммутатора 5 и, таким образом, расшифрована ранее записанная информация. Такая память на изгибающем элементе требует довольно больших входных сигналов (порядка 15 В), способных вызвать значительные механические деформации и, соответственно, большие значения выходных сигналов (порядка 2 В).

В процессе совершенствования конструкции сегнетокерамику 2 и 4 изготавливают из нескольких различных составов, с разными значениями коэрцитивной силы, что позволяет оптимизировать соотношения между амплитудами импульсов записи и считывания информации, выбирать резонансный или не резонансный режим работы.

Описанные ЗУ отличаются простотой в обращении, имеют малую стоимость, простую конструкцию, высокую радиационную стойкость. Со временем эта конструкция стимулировала развитие идеи создания пьезоэлектрической вы­числительной среды (ПЭВС) с функциями запоминающих устройств. При этом использовалось два типа динамических неоднородностей сегнетоэлектрические домены для хранения информации и акустические волны для обработки информации.

Важно отметить, что в этом случае решается принципиально новая технологическая задача: активная диэлектрическая континуальная среда в виде твердых тел заменяется аналогичной пленочной структурой. При этом необходимо воспроизвести сегнетоэлектрические свойства в тонких континуальных слоях. Сложность заключается в том, что физическая природа сегнетоэлектричества формируется дальнодействующими силами дипольного происхождения. Радиус действия таких сил определяется корреляционной длиной. В этом случае толщина слоев сегнетоэлектрика должна на порядок превышать корреляционную длину и составлять 100 - 500 нм. При этом необходимо достаточно точно воспроизвести стехиометрии трех-, четырех- и более компонентного состава. В этих пленках должны быть сохранены физические свойства объемного материала. При этом одновременно уменьшаются управляющие электрические и механические напряжения, оптические и акустические потери, улучшаются другие потребительские свойства.

Вопросы получения промышленных пленок сегнетоэлектриков являются специальной, технологической проблемой. Информационным значениям «0» или «1» соответствует разность фаз считываемого сигнала в 2, что соответствует направлениям поляризации ± Р₂ в отдельных ячейках памяти.

Разработанные пьезокермические матрицы (ПКМ) функционируют на принципе импульсного или резонансного считывания информации и напоминают конструкцию, рас­смотренную на рис. 3.6.

Считывание информации происходит без ее разрушения с тактовой частотой до 1 МГц, определяемой временем переполяризации (около 50 мкс). Допускается 10⁶ - 10⁸ циклов перезаписи информации. Разработаны интегральные ПКМ емкостью более 512 бит с напряжением перезаписи порядка 4 В, работающие в интервале температур 80 - 200 °С, выдерживающие ударные нагрузки до 3 ∙ 10⁴g и отличающиеся высокой радиационной стойкостью.

Следует отметить возможность увеличения на порядок плотности записи информации без увеличения числа ячеек памяти. В основе лежит физический принцип переключения поляризации из состояния – Р₂ в состояние + Р₂. Из-за отсутствия абсолютного порога переключения можно один бит информации, например «1», разложить на амплитудный мно­гоуровневый аналоговый сигнал и воспользоваться законами многозначной логики. Так, в ПКМ достаточно легко обеспечить 20 уровней ± Р₂ во всем диапазоне ± Р₂ с разрешением цифроаналогового преобразования 10^-1 В. Одним из основных требований к сегнетоэлектрическим материалам таких ПКМ является обеспечение коэффициента прямоугольности петли диэлектрического гистерезиса 0,85  К_ПР = Р₂ / Ps < 1. Весьма перспективным материалом для ЗУ являются сегнетоэлектрические пленки на основе нитрата калия (KNO₃). Они отличаются малым временем переключения порядка 10^-9 с, высокой тактовой частотой около 10⁸ Гц, малыми геометрическими размерами доменов, позволяющими получить размер ячейки около 20 мкм² и, соответственно, достичь степени интеграции 10⁸ - 10¹⁹ бит/см². Емкостные элементы функциональной электроники нашли перспективное применение в устройствах памяти схемотехнической электроники.

Известно, что одним из существенных недостатков существующих схем памяти является отсутствие энергозависимости. Разработано несколько подходов к созданию энергонезависимых схем памяти. Лучший результат дает технология осаждения на поверхность тонкой пленки цирконата титаната свинца (ЦТС или PZT), с помощью которой формируются сегнетоэлектрические конденсаторы. Такие конденсаторы соответствующим образом поляризуются и, имея высокое значение диэлектрической проницаемости (  1200), обеспечивают определенное состояние ЗУ при частом отключении питания. Керамика цирконат титанат свинца (PZT) обладает высоким удельным сопротивлением (изолятор), термической и химической стойкостью, высокой механической прочностью. Температура фазового перехода PZT-керамики составляет 330 °С, и поэтому такие схемы могут работать в температурном диапазоне от - 180 до + 320 °С. Пробивное напряжение таких схем составляет около 40 В, диэлектрическая проницаемость выше 1,2 x 10³, что позволяет резко повысить плотность интеграции по сравнению с известными схемами ДОЗУ. Таким образом, динамические неоднородности в виде сегнетоэлектрических доменов, встроенных в устройства схемотехнической электроники, позволяют получить их новое качество, существенно улучшить выходные характеристики.