История развития криоэлектроники

    По  мере того как в  радиоэлектронике назревал коренной поворот, обусловленный  развитием технологической  базы микроэлектроники, это тяготение  к низким температурам охватило и микроэлектронное аппаратостроение. Одна за другой возникали  новые проблемы, решение которых известными методами интегральных схем при обычных температурах было в принципе невозможно или настолько затруднено, что их практическая реализация ставилась под сомнение. В то же время одно за другим следовали открытия новых явлений в пленочных структурах при низких температурах, не реализованных в микроэлектронике. Однако криоэлектроника все-таки развивалась не так быстро, как другие ветви микроэлектроники. Причин, тормозивших ее развитие, было немало, прежде всего: недостаточная изученность электронных процессов в охлажденных структурах и пленках на базе твердого тела, недостаточность реальных конструкторско-технологических идей по созданию интегральных электронных приборов на основе этих процессов и особенно надежных, воспроизводимых многоэлементных, многослойных интегральных схем с субмикронными зазорами, а также практических методов снижения удельного веса затрат на охлаждение интегральных приборов до уровня затрат на обычное термостатирование и увеличение срока непрерывного действия охлажденных устройств. Поэтому криоэлектроника является комплексной областью знаний и включает несколько основных направлении: криоэлектронное материаловедение; СВЧ криоэлектронику на объемных компонентах; сверхпроводниковую криоэлектронику; криоэлектронную ИК технику, интегральную криоэлектронику и технику криостатирования. Рассмотрим основные из данных направлений. Криоэлектронное материаловедение охватывает изучение электронных и магнитных явлений в охлажденных твердых телах, в том числе и в отвердевших газах, разработку технологии и синтез новых материалов с заданными свойствами в области криогенных температур с целью создания новых дискретных криоэлектронных элементов, функциональных радиоэлектронных приборов и микроохладителей.

    СВЧ криоэлектроника включает создание нового класса микроприборов: охлаждаемых параметрических и транзисторных усилителей, смесителей, детекторов и сложных многофункциональных приемных модулей на объемных сверхпроводящих, полупроводниковых и других компонентах, представляющих сочетание фильтров, усилителей, циркуляторов, конструктивно объединенных в одной оболочке—криостате и связанных с криогенной установкой. СВЧ криоэлектроника на объемных компонентах является большим комплексным направлением и охватывает весьма широкий круг задач: от технологии создания активных и пассивных СВЧ элементов до разработки функциональных приборов и сложных приемных модулей, являющихся по существу самостоятельными радиоприемными устройствами.

    Сверхпроводниковая  криоэлектроника, начавшаяся с создания криотрона, развивалась по пути разработки дискретных приборов, основанных на сверхпроводимости, с уникальными характеристиками: сверхпроводящих СВЧ резонаторов с добротностью до 10 ⁹ , СВЧ линий задержки и коаксиальных кабелей, практически не имеющих потерь, мощных микромагнитов. Выдающимся достижением стало создание на основе эффекта Джозефсона сверхпроводящих магнитометров, обладающих недостижимыми прежде параметрами, индикаторов сверхмалых напряжений и токов, а также детекторов субмиллиметрового диапазона волн.

    Криоэлектронная ИК техника вначале  тоже включала дискретные элементы: охлаждаемые  тепловые ИК приемники (болометры), спектральный диапазон которых зависит  от характеристик  оптических фильтров, и фотонные, селективные, ИК приемники, основанные на применении собственных узкозонных и примесных полупроводников, фоторезистивных и фотовольтических свойств охлажденных структур в различных участках ИК диапазона.

    Поток открытий и идей в  физике низких температур, физике тонких пленок, хлынувший после  создания микроскопической теории сверхпроводимости и синтеза низко температурных материалов, успехи технологии распахнули двери и новый мир. Симбиоз новейшей технологии. микроэлектроники с физическими принципами и материалами криоэлектроники привел к переходу от дискретного уникального криоприбора к интегральному криоэлектронному модулю, т. е. к интегральной криоэлектронике. Родились новейшие направления интегральной криоэлектроники со своими проблемами и перспективами, из которых наибольшее развитие получают:

— интегральная криоэлектроника  ИК диапазона (приборы  с зарядовой связью, многоэлементные  ИК приемники, ИК лазеры и др.);

— интегральная СВЧ  криоэлектроника (интегральные схемы СВЧ усилителей, циркуляторов, фильтров, смесителей и др.);

— интегральная криоэлектроника  на основе слабосвязанных сверхпроводников для  вычислительной техники (интегральные схемы логики и памяти) .

    Значительное  увеличение удельного  веса работ по интегральной криоэлектронике  отражает суть нового этапа в развитии криоэлектроники, обусловленного успехами технологии пленочных и полупроводниковых схем микроэлектроники. Использование достижений технологии изготовления интегральных схем в криоэлектронике открыло пути комплексной микроминиатюризации ряда электронной приемной аппаратуры при одновременном качественном улучшении ее основных параметров. Такому положению способствуют глубинные процессы, происходящие в электронике.

— интеграция большого числа элементов  в одном криостатируемом корпусе;

— создание многокомпонентных гетероструктур, в том числе на основе узкозонных материалов;

— интеграция явлений, функций и разнородных  материалов в одной  структуре на основе контактов сверхпроводник - полупроводник, параэлектрик - сверхпроводник;

— применение криогенной технологии (крионасосов, криогенного охлаждения подложек, охлаждения химических веществ для проведения уникальных реакций методом туннелирования при низких температурах) для создания криоэлектронных элементов. Исчезновение активного сопротивления в сверхпроводниках при криогенных температурах в широком спектре частот позволяет практически полностью устранить тепловые потери, повысить к. п. д. элементов и создать резонаторы с добротностью до 10 ⁸ —10 ¹² вместо 10 ³ —10 ⁴ на частотах вплоть до 10—30 ГГц. На основе эффекта Джозефсона и явлений в контактах сверхпроводник— полупроводник могут быть разработаны высокочувствительные датчики, измеряющие напряжения 10 ^-16 В, видеодетекторы миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов волн с чувствительностью 10 ^-15 Вт/Гц ^1/2 , тонко-пленочные интегральные схемы памяти и логики с быстродействием 10 ^-11 с, работающие почти без выделения тепла, магнитометры с чувствительностью на 5 порядков выше, чем у наилучших известных приборов.

    Вымораживание примеси в полупроводнике при уменьшении тепловой энергии решетки ниже энергии ионизации примеси, устранение собственной проводимости в узкозонных полупроводниках, токов термоэлектронной эмиссии в барьерах Шоттки за счет охлаждения открывают пути для приема излучений в недоступных кремниевым фотодиодам и ПЗС участках спектра, вплоть до дальнего ИК диапазона. Кремниевые ПЗС с барьерами Шоттки при азотных температурах охватывают диапазон до 3,5 мкм, ПЗС на основе InSb и кремниевые ПЗС, легированные In, до 3—5 мкм, гибридные ПЗС с применением HgCdTe, PbSnTe имеют в дальнем ИК диапазоне пороговую чувствительность, приведенную к единичной фотоприемной площадке 1 см ² , при азотных температурах порядка 10 ^-10 -10 ^-11 Вт/Гц ^1/2 , если отношение сигнал/шум равно 1. Глубокое охлаждение решетки твердого тела приводит к значительному уменьшению тепловых шумов, являющихся принципиальным органичением при повышении чувствительности электронных приборов, особенно в СВЧ и ИК диапазонах. Шумовая температура охлажденных полупроводниковых усилителей может достигать 5—20 К в широком диапазоне частот, а шумовая температура смесителя на контакте полупроводник - сверхпроводник на частотах ~10 ¹⁰ Гц составляет при гелиевых температурах рекордно малую величину — около 13 К, гетеродинный приемник лазерного излучения имеет при 77 К чувствительность около 10 ^-20 Вт/Гц ^1/2 в ИК диапазоне.

    Интенсивное развитие интегральной криоэлектроники  тесно связано  с созданием криостатов с жидким и твердым  хладоагентом и микрокриогенных  систем с замкнутым  циклом, не требующих  периодического пололнения жидким или газообразным хладоагентом. Создание криостатов с охладителями типа Макмагона—Джиффорда позволило надежно освоить диапазон на стыке водородных и гелиевых температур, появились микрокриогенные системы гелиевого уровня. Криостаты с дроссельными микроохладителями после применения в них газовых смесей становятся конкурентоспособными по сравнению с другими системами. Начинается внедрение гибридных электронных охладителей на основе эффектов Пельтье, Эттингсгаузена. Существенной особенностью этих охладителей является слабая зависимость относительного термодинамического к. п. д. от холодопроизводительности, в то время как соответствующий коэффициент газовых машинных охладителей резко снижается при уменьшении холодопроизводительности. Таким образом, можно будет снять ограничение с минимально достижимой холодопроизводительности, что, в свою очередь, уменьшает размеры всей охлаждающей системы. Именно в области криогенных систем малой холодопроизводительности электронное криостатирование, в задачи которого входит создание криогенных твердотельных электронных микроохладителей на различные уровни температур вплоть до сверхнизких, будет, по-видимому, наиболее конкурентоспособным. Интегральная криоэлектроника позволит в дальнейшем объединить в одном твердотельном модуле электронную охлаждаемую схему с электронным охладителем, что является способом создания полностью твердотельных криоэлектронных интегральных схем. В такой необычной схеме охладительная часть также может быть выполнена методами интегральной технологии и иметь один и тот же источник питания. При этом предварительное охлаждение может осуществляться не электронными методами, что важно для разработки микроэлектронных систем с большой степенью интеграции, например антенных фазированных решеток. Развитие интегральной криоэлектроники как новой отрасли микроэлектронной техники непрерывно ставит перед исследователями новые задачи:

— создание электронных  приборов с принципиально  новыми свойствами на основе открытых физических низкотемпературных явлений путем использования технологии интегральных полупроводниковых схем;

— изменение физических свойств структур за счет глубокого  охлаждения для получения принципиально нового прибора;

— создание новых конструктивных и технологических  методов с целью  сочетания в одном электронном функциональном модуле свойств криоэлектронного прибора и микроохладителя;

— комплексная микроминиатюризация  охлаждаемых многофункциональных  узлов аппаратуры с одновременным  улучшением ее электрических параметров.

Часть 3. Микроэлектроника и холод

Микроминиатюризация в области электронно-вычислительной техники — важнейшее  направление научно-технического прогресса.

    На  основе полупроводниковых  интегральных схем можно  было бы создать мощную ЭВМ размером всего  со школьный ранец, если бы был предложен эффективный способ отвода тепла от такого устройства. Но это оказалось непосильной для современной техники задачей: устройство должно выделять до киловатта энергии каждую секунду. Решение было найдено с помощью криогеники в сочетании с отказом от полупроводников.

    Четверть  века назад, а точнее, в 1962 году, английский ученый Джозефсон (в  то время он был  еще студентом) теоретически предсказал эффект, названный позднее  его именем. На основе эффекта Джозефсона было сконструировано  электронное устройство, так называемый “джозефсоновский переход”. Оно представляет собой два сверхпроводящих электрода, разделенных тончайшим (от 10 до 50 А) слоем диэлектрика. Диэлектрик даже при сверхнизких температурах электрический ток не пропускает. В данном же случае благодаря сверхпроводящему состоянию электродов и в зависимости от приложенных к переходу электрических и магнитных полей электрический ток через изолятор проходит. Причем при температуре 4,2К такой прибор выделяет в 10000 раз меньше тепла, чем обычный транзистор. Иными словами, ЭВМ той же мощности, что и упомянутая выше, но построенная не на полупроводниках, а на сверхпроводящих элементах, выделяла бы всего 0,1 Вт в секунду! А каждый “джозефсоновский переход” может работать и как детектор, и как усилитель, и как ячейка памяти, и как логический элемент. Наиболее стабильны в работе “джозефсоновские переходы” с электродами из ниобия.

    Устройства  сверхпроводящей  электроники уже  используются на практике. Так, на их основе созданы  сверхчувствительные  измерители магнитных потоков и полей, успешно применяемые в медицине (магнитокардиография и магнитоэнцефалография).

    Большое внимание наука уделяет  сейчас разработки способов получения сверхчистых  металлов, анализа  их чистоты и изучения их свойств. А надо сказать, что свойства эти поистине удивительные. Например, титан, висмут, вольфрам, хром, молибден, тантал, цирконий долго считались хрупкими. В чистом же виде они оказались пластичными и прочными. И чем выше чистота полученных образцов, тем больше вероятность обнаружения "маскируемых" примесями подлинных свойств металлов.