Основные направления криоэлектроники

Основные направления криоэлектроники. Каждое новое направление в науке и технике имеет свою историю развития. Есть своя история и у криоэлектроники, которая с первых же шагов открыла пути создания принципиально новых приборов. Явления физики твердого тела при низких температурах, дающих доступ к глубинным квантовым свойствам вещества в конденсированном состоянии, совместно с явлениями физики низких температур, выделившейся в самостоятельную науку, составили научную базу криоэлектроники. Хотя слово криос означает просто холод, криогенными принято считать лишь те температуры, при которых тепловые колебания решетки вещества сильно ослабляются и в веществах начинают проявляться дальний порядок и эффекты, замаскированные тепловым движением частиц при обычных температурах.

Это и приводит, в конечном счете, к тем удивительным особенностям сверхпроводников, в которых квантовые эффекты проявляются в макроскопических масштабах, а также к целому ряду качественно новых явлений и эффектов в других материалах.

Область криогенных температур, при которых четыре газа азот, неон, водород и гелий превращаются в криогенные жидкости, можно условно разделить на четыре температурные зоны азотную 80 К , неоновую 27 К , водородную 20 К и гелиевую 4,2 К Температуры много ниже точки кипения жидкого гелия выделялись в отдельную область сверхнизких температур, причем многие эффекты в твердом теле являются характерными только для этой, пока еще экзотической области. Если попытаться свести в одну таблицу некоторые свойства диэлектриков, полупроводников, полуметаллов, бесщелевых и узкозонных полупроводников, нормальных металлов и сверхпроводников, которые наблюдаются при криогенных температурах, то эта условная таблица имеет следующий вид Приложение таблица 1 . В таблицу включены в основном свойства, на основе которых начато или ожидается создание принципиально новых криоэлектронных приборов. Весьма внушительным будет перечень новых открытий и эффектов при криогенных температурах, на основе которых еще не создан ни один прибор, но их реализация в электронике может дать много полезного и неожиданного.

Конечно, порой трудно провести четкую границу между низкотемпературными и высокотемпературными явлениями в отдельных материалах, поэтому в таких случаях в табл. 1 подразумеваются те материалы, которые без охлаждения практически неприменимы полуметаллы, узкозонные полупроводники и др Принцип построения табл. 1 подсказывает принципы деления криоэлектроники на направления в соответствии с типом применяемого материала например, сверхпроводниковая криоэлектронника на основе сверхпроводников, полупроводниковая криоэлектроника на основе охлажденных полупроводников и полуметаллов и т. д. Так это произошло со сверхпроводниковыми приборами, как бы обособившимися от приборов на базе других материалов в силу фундаментальности явления сверхпроводимости. Однако возможен и другой принцип, пробивающий себе дорогу по выполняемым криоэлектронными приборами функциям, по диапазонам частот, по технологическим методам, положенным в основу изготовления прибора.

Все криоэлектронные приборы в зависимости от температуры охлаждения, применяемых материалов и явлений в них могут быть разделены на изделия приборы азотного, неонового, водородного и гелиевого уровней охлаждения.

Уровень охлаждения во многом определяет параметры и области применения криоэлектронных изделий. Еще в 40-х годах были предприняты попытки создать высокочувствительные, нешумящие приемники для индикации слабого теплового излучения в ИК диапазоне.

Так, появились угольный болометр, охлаждаемый до температуры жидкого гелия, болометр на основе p-Ge, легированного гелием, работающий при 2,15 К, а затем сверхпроводящий приемный элемент на основе тонкой фольги из нитрида ниобия.

Были созданы первые переключатели со сверхпроводящим соленоидом. В 1954 г. произошло большое событие Бакк предложил принципиально новый электронный прибор и дал ему имя криотрон. Вслед за этим прибором на базе механизма возникновения отрицательного сопротивления в полупроводниковом кристалле, охлажденном до такой степени, что примеси в нем были выморожены, был предложен еще один новый прибор - криосар. Проблема использования квантовых резонансных свойств твердого тела при низких температурах для приема сверхслабых СВЧ сигналов привела к созданию квантовых парамагнитных усилителей мазеров. Мазеры появились вскоре после того, как Н. Г. Басов и А. М. Прохоров предложили так называемый трехуровневый метод метод накачки создания избыточной населенности верхнего энергетического уровня, необходимый для получения эффекта отрицательного поглощения, а Н. Бломберген предложил использовать в качестве активного вещества для таких мазеров парамагнитные кристаллы, находящиеся при гелиевых температурах.

Вскоре А. М. Прохоровым, Н. В. Карловым, А. А. Маненковым и др. были созданы резонаторные парамагнитные СВЧ усилители, с помощью которых была продемонстрирована перспективность комплексного использования двух криоэлектронных материалов парамагнетиков и сверхпроводников.

В. Б. Штейншлейгером, Г. С. Мисежниковым и др. были разработаны мазеры бегущей волны, в которых криоэлектронные элементы защиты входа усилителя были построены на полупроводниках. Работы по исследованию вырожденных и невырожденных р-n переходов при низких температурах, широко известные работы по физике низких температур в Институте физических проблем, Физическом институте АН СССР, Институте радиотехники и электроники, Физико-техническом институте АН СССР, работы украинских физиков проложили дорогу электронике к новым явлениям, возникающим при сильном ослаблении тепловых колебаний решетки. В 1963 г. в СССР вышел в свет первый научно-технический сборник по охлаждаемым электронным приборам и сложным устройствам в корпусе-криостате.

Вслед за ним в 1964 г. в США группой в составе Т. Шмидта и др. был также выпущен сборник, в названии которого впервые было напечатано криогенная электроника. Если до этого применялись различные термины радиотехника низких температур, криотроника, радиоэлектроника сверхнизких температур и др то теперь положение изменилось. Стало ясно, что назрела пора оформления нового перспективного направления электроники, основанного на сверхпроводимости и других явлениях в твердом теле при криогенных температурах, которому окончательно присвоили название криоэлектроника или криогенная электроника. В попытках заглянуть в будущее криоэлектроники, предпринятых за последние 15 лет в ряде обзорных и проблемных работ, можно выделить два крупных этапа. Первый этап относится к 1962-1966 гг когда в СССР и США появились оптимистические прогнозы вскоре после разработки дискретных криоэлектронных приборов криотронных пленочных схем, детекторов ИК диапазона и СВЧ усилителей на охлажденных полупроводниковых структурах с р-n переходом.

Этому этапу предшествовало создание микроскопической теории сверхпроводимости, установление, ее связи с феноменологической теорией Гинзбурга-Ландау ГЛ , открытие квантовых макроскопических явлений, включая открытие эффекта Джозефсона, синтез новых сверхпроводящих материалов и разработка квантовых парамагнитных СВЧ усилителей со сверхпроводящим соленоидом в гелиевом криостате См. приложения рис. 3. Второй этап прогнозов 1969-1973 гг. был стимулирован развитием технологии полупроводниковой микроэлектроники, созданием работоспособных сверхпроводящих туннельных, мостиковых переходов на эффекте Джозефсона, структур на узкозонных соединениях InSb,InAs и твердых растворах BiSb, CdHgTe, PbSnTe, а также нелинейных кристаллов-параэлектриков, которые не переходят в сегнетоэлектрическую фазу при низких температурах SrTiO3 , и сегнетоэлектриков с низкой температурой Кюри-Вейсса.

Анализ работ по криоэлектронике за последние 10- 15 лет показывает, что основные идеи этих прогнозов подтвердились, хотя огромные успехи микроэлектроники, открывая новые технологические возможности, в ряде случаев поставили под сомнение целесообразность широкого применения некоторых криоэлектронных приборов, например пленочных криотронов.

Криоэлектроника стала привлекать не только исследователей, работающих в области электроники, но и специалистов по физике твердого тела, которые ранее электронными приборами не увлекались, специалистов- комплексников, которые ранее стремились любой ценой избавиться от необходимости внедрения криогенных элементов в аппаратуру, специалистов в области космонавтики и астрономии.

Это во многом объясняется успехами космической криогенной техники и тем, что с каждым пятилетием все глубже во все сферы жизни человека проникают средства ИК диапазона волн. Действительно, в наши дни трудно указать область науки и техники, в которой не применялись бы инфракрасные устройства.

Специфические особенности ИК излучения как носителя информации ставят его в один ряд со светом и радиоизлучением.

Поскольку тепловое излучение тел связано непосредственно с их термодинамическим состоянием, оно содержит полные сведения о температуре источника.

Кроме того, спектральный состав излучения зависит от материала поверхности и вида излучаемых различными телами частиц, например газов.

Поэтому он несет в себе информацию о веществе и состоянии поверхности источника излучения. Эти качества ИК излучения, позволяющие выявлять внутренние свойства объектов и наблюдать глубинные процессы, протекающие в них, способствуют привлечению его для решения таких задач, в которых получить указанную информацию с помощью других сигналов не удается.

Особенно заметный сдвиг в развитии криоэлектронной ПК техники был сделан в связи с изобретением охлаждаемых твердотельных лазеров ИК диапазона и освоением космического пространства. Этот сдвиг был вызван еще и тем, что в космосе имеются идеальные условия для распространения ИК излучения и сравнительно однородный фон неба, отсутствует поглощающая и рассеивающая среда и имеются условия для использования естественного охлаждения приёмных элементов за счет тепловой радиации либо за счет применения отвердевших газов.

Космическая связь, локация и наведение кораблей, поиск и обнаружение теплоизлучающих объектов, дистанционное измерение температур, спектральный анализ атмосферы планет, тепловидение в медицине, промышленности и геологии - все это новые задачи, решать которые призвана криоэлектронная техника ИК диапазона.

Другое направление, вызвавшее появление новых средств и криоэлектронных приборов - это дистанционные исследования природных ресурсов Земли и планет во всём спектре ИК волн от ближнего ИК до субмиллиметрового диапазона См. приложения рис. 2. Инфракрасные системы дистанционного зондирования развиваются столь стремительно, что почти все отрасли народного хозяйства, включая промышленность, морской флот, сельское хозяйство, геологию будут получать все больше ощутимой пользы от внедрения этих систем.

Не менее быстро развиваются космические радиотелескопы, как автоматические, так и обслуживаемые космонавтами. Для того, чтобы эти телескопы, позволяющие изучать объекты в наименее доступных с поверхности Земли дальнем ИК диапазоне и участке субмиллиметровых волн, могли длительное время работать в космосе, их криоэлектронная приемная часть должна представлять единое целое с криогенной установкой замкнутого цикла.

Совсем недавно бортовая криогенная установка даже азотного уровня охлаждения была мечтой, а теперь при полете орбитального научно-исследовательского комплекса Салют-6 - Союз-27 на борту станции уже успешно работала криогенная установка, обеспечивающая получение температуры 4,2 К для криоэлектронного приемника субмиллиметрового диапазона волн. Проведение космонавтами Ю. Романенко и Г. Гречко испытания впервые созданной учеными Физического института АН СССР и советскими специалистами по микрокриогенной технике малогабаритной криоэлектронной приемной системы гелиевого уровня, включение, юстировка и осуществление измерений на телескопе открыли новую страницу в криоэлектронике.

Мощным дополнительным толчком послужили запуски не только на эллиптические, но и на стационарные орбиты спутников-ретрансляторов, позволившие создать во многих странах спутниковые системы связи и телевидения и начать продвижение рабочих частот спутниковых систем в область все более высоких частот, включая диапазон миллиметровых волн и в перспективе дальний ИК диапазон.

Энергетический голод заставил человечество срочно искать новые источники энергии, и взоры обратились к криогенному газу-водороду, являющемуся прекрасным топливом назрела пора водородной энергетики. Криоэнергетика, криобиология, криохимия, криомедицина стремительно возникали, усиливая всеобщую тенденцию к использованию в технике свойств веществ при низких температурах. 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 См. приложения рис. 4 с добротностью до 109, 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 108-1012 вместо 103-104 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 Гц1 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 см2, при азотных температурах порядка 10-10-10-11 Вт Гц1 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 1010 Гц составляет при гелиевых температурах рекордно малую величину - около 13 К, гетеродинный приемник лазерного излучения имеет при 77 К чувствительность около 10-20 Вт Гц1 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