ИНТЕГРАЛЬНЫЙ НАНОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ТУННЕЛЬНЫЙ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ
INTEGRAL NANOEMECHANICAL TUNNEL SWITCH

Предлагаемое изобретение относится к области микросистемной техники и может быть использовано в интегральной электронике для коммутации сигналов.
Известен наноэлектромеханический переключатель на основе пленки нанокристаллического графена, нанесенной на изолирующие подложки (см. “Large-Scale Nanoelectromechanical Switches Based on Directly Deposited Nanocrystalline Graphene on Insulating Substrates” J. Sun, M.E. Schmidt, M. Muruganathan, H.M. Chong, H. Mizuta. Nanoscale, 8(12), 6659-6665 - March 2016, https://doi.org/10.1039/c6nr00253f), содержащий подложку, контактную область, электростатический актюатор, два основания нижнего электрода, две контактных области нижнего электрода электростатического актюатора, а также изолирующий слой, два основания верхнего электрода, две контактных области верхнего электрода электростатического актюатора, верхний электрод электростатического актюатора, упругую пленку, выполненную из нанокристаллического графена, причем упругая пленка, являющаяся функционально подвижным нижним электродом, представляет собой вытянутый прямоугольник, лежащий в плоскости, параллельной плоскости подложки, но не касающийся непосредственно подложки, выполненный из тонких слоев нанокристаллического графена таким образом, что его противоположные узкие концы технологически закреплены между двумя изолирующими основаниями нижних электродов с нижней стороны пленки и двумя проводящими нижними электродами с верхней стороны пленки, обеспечивая ее натяжение; неподвижный верхний электрод представляет собой проводящую металлическую прямоугольную балку, параллельную плоскости подложки и перпендикулярную упругой пленке, закрепленную с обоих концов на соответствующих изолирующих основаниях верхнего электрода, и примыкающую к соответствующим контактным областям верхнего электрода, и расположен таким образом, что возвышается над двумя проводящими нижними электродами и над упругой пленкой, образуя с последней зазор, при этом изолирующие основания верхнего электрода, как и нижнего, выполнены на полупроводниковой подложке; контактная область образована неподвижным верхним электродом и подвижным нижним, сформированным из упругой пленки, натянутой между основаниями нижнего электрода; электростатический актюатор структурно объединен с контактной областью, т.е. их подвижные и неподвижные электроды совпадают.
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками, являются подложка, контактная область, электростатический актюатор, основание неподвижного электрода, неподвижный электрод электростатического актюатора, неподвижный электрод контактной области.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются снижение чувствительности устройства при переходе к наноразмерным проектным нормам; неудовлетворительная масштабируемость конструкции в целом; технологические сложности в обеспечении необходимого зазора между подвижным и неподвижным электродами в следствие того, что пленка из нанокристаллического графена чувствительна к режимам различных технологических операций (травление, сушка) прежде всего в виду разных коэффициентов температурного расширения материалов; залипание контакта; отсутствие возможности микроподстройки и юстировки устройства.
Известен интегральный микроэлектромеханический переключатель для управления питанием интегральных схем (см. “Back-end-of-the-line MEMS switches for power management, ESD and security”, N. Tazin, D.G. Saab, M. Tabib-Azar, ESD and security. Preprints 2018, 2018120268 (doi: 10.20944/preprints201812.0268.v1). Online access. <https://www.preprints.org/manuscript/201812.0268/v1>), содержащий подложку, контактную область, электростатический актюатор, контактные области нижнего электрода электростатического актюатора, а также изолирующий слой, служащий основанием верхнего и нижнего электродов, контактные области верхнего электрода электростатического актюатора, верхний подвижный электрод электростатического актюатора, представляющий собой П-образный упругий участок металлического проводника состава Pt/Al/Cu/W/Fe, выполненный таким образом, что верхний его сегмент, параллельный плоскости подложки и перпендикулярный нижнему неподвижному электроду, образует с последним зазор, а боковые сегменты опираются на изолирующий слой и переходят в расположенные на этом слое контактные области верхнего электрода электростатического актюатора; неподвижный нижний электрод представляет собой протяженный участок металлического проводника прямоугольной формы, расположенный на изолирующем слое, и концы которого образуют контактные области нижнего электрода электростатического актюатора, а средняя его часть, функционально являющаяся нижним электродом электростатического актюатора, находится под верхним подвижным электродом электростатического актюатора, при этом контактные области нижнего электрода электростатического актюатора, нижний электрод электростатического актюатора и контактные области верхнего электрода электростатического актюатора, выполнены на изолирующем слое; электростатический актюатор структурно объединен с контактной областью, т.е. их подвижные и неподвижные электроды совпадают.
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками, являются подложка, изолирующий слой, контактная область, электростатический актюатор, неподвижный электрод электростатического актюатора, неподвижный электрод контактной области.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются: неудовлетворительная масштабируемость конструкции в целом; влияние температуры на динамику переключения; залипание контакта; отсутствие возможности микроподстройки и юстировки устройства.
Из известных наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является трехконтактный наноэлектромеханический переключатель в изолирующей жидкой среде (см. «3-Terminal Nanoelectromechanical Switching Device in Insulating Liquid Media for Low Voltage Operation and Reliability Improvement», J.O. Lee, M.W. Kim, S.D. Ko, H.O. Kang, W.H. Bae, M.H. Kang, K.N. Kim, D.E. Yoo, J.B. Yoon), содержащий полуизолирующую подложку, несущую балку, подвижный электрод, неподвижный электрод, подвижный электрод электростатического актюатора, неподвижный электрод электростатического актюатора, якорную область подвижного электрода, контакт к подвижному электроду, а также жидкую изолирующую среду.
Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками, являются полуизолирующая подложка, несущая балка, подвижный электрод, неподвижный электрод, подвижный электрод электростатического актюатора, неподвижный электрод электростатического актюатора, якорная область подвижного электрода, контакт к подвижному электроду.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются отсутствие возможности обеспечения туннельного контакта; залипание контакта; отсутствие возможности микроподстройки и юстировки устройства, возможно работа только в режиме наноэлектромеханического ключа.
Задача предполагаемого изобретения состоит в обеспечении малых значений тока утечки за счет эффекта туннелирования носителей заряда между подвижным и неподвижным электродами, повышении энергоэффективности, решении проблемы залипания контактов.
Для достижения необходимого технического результата в трехконтактный наноэлектромеханический переключатель, содержащий полуизолирующую подложку, несущую балку, подвижный электрод, неподвижный электрод, подвижный электрод электростатического актюатора, неподвижный электрод электростатического актюатора, якорную область подвижного электрода, контакт к подвижному электроду введены, основание первого неподвижного электрода, основание второго неподвижного электрода, основание первого электростатического актюатора, основание второго электростатического актюатора, якорная область второго подвижного электрода, технологический слой в области первого неподвижного электрода, технологический слой в области второго неподвижного электрода, технологический слой в области первого электростатического актюатора, технологический слой в области второго электростатического актюатора, несущий упругий подвес, контактная область первого неподвижного электрода, контактная область второго неподвижного электрода, контактная область первого электростатического актюатора, контактная область второго электростатического актюатора, контактная область первого и второго подвижного электрода, второй неподвижный электрод, неподвижный электрод второго электростатического актюатора, контакт к второму подвижному электроду, подвижный электрод второго электростатического актюатора, второй подвижный электрод, основание упора для несущей балки, технологический слой упора несущей балки, область размещения упора для несущей балки, упор для несущей балки, П-образный вырез, дополнительный вырез. После формирования структура представляет собой переключатель туннельного типа, реализующий однополюсную схему переключения на два направления. Первый туннельный контакт образован первым неподвижным электродом и первым подвижным электродом, второй туннельный контакт образован вторым неподвижным электродом и вторым подвижным электродом. Несущая балка содержит два П-образных выреза и два дополнительных выреза, выполненных таким образом, что они формируют две связанные по принципу двунаправленного рычага или качелей подвижные балки на упругих подвесах, на которых расположены подвижные контакты и подвижные контакты актюаторов. Упругий подвес имеет U-образную форму и представляет собой сегмент цилиндрической оболочки, примыкающий одним концом к контактной области первого и второго подвижных электродов и жестко закрепленный относительно полуизолирующей подложки, а незакрепленным вторым концом примыкающий к несущей балке.
Сравнивая предлагаемое устройство с прототипом, видим, что оно содержит новые признаки, то есть соответствует критерию новизны. Проводя сравнение с аналогами, приходим к выводу, что предлагаемое устройство соответствует критерию "существенные отличия", так как в аналогах не обнаружены предъявляемые новые признаки. Получен положительный эффект, заключающийся в обеспечении малых значений токов утечки, повышении энергоэффективности, повышении технологичности.
На фиг. 1 приведена структура предлагаемого интегрального наноэлектромеханического туннельного переключателя в развернутом виде, до проведения операции травления жертвенного слоя, удерживающего верхнюю часть конструкции.
На фиг. 2 приведена структура предлагаемого интегрального наноэлектромеханического туннельного переключателя. Перемещение подвижных контактных областей осуществляется перпендикулярно плоскости подложки.
Интегральный наноэлектромеханический туннельный переключатель содержит полуизолирующую подложку 1, основание первого неподвижного электрода 2, основание второго неподвижного электрода 3, основание первого электростатического актюатора 4, основание второго электростатического актюатора 5, якорную область первого и второго подвижного электрода 6, технологический слой в области первого неподвижного электрода 7, технологический слой в области второго неподвижного электрода 8, технологический слой в области первого электростатического актюатора 9, технологический слой в области второго электростатического актюатора 10, несущий упругий подвес 11, контактную область первого неподвижного электрода 12, контактную область второго неподвижного электрода 13, контактную область первого электростатического актюатора 14, контактную область второго электростатического актюатора 15, контактную область первого и второго подвижного электрода 16, несущую балку 17, первый неподвижный электрод 18, второй неподвижный электрод 19, неподвижный электрод первого электростатического актюатора 20, неподвижный электрод второго электростатического актюатора 21, контакт к первому и второму подвижному электроду 22, подвижный электрод первого электростатического актюатора 23, подвижный электрод второго электростатического актюатора 24, первый подвижный электрод 25, второй подвижный электрод 26, основание упора для несущей балки 27, технологический слой упора несущей балки 28, область размещения упора для несущей балки 29, упор для несущей балки 30, П-образный вырез 31, дополнительный вырез 32, причем сформированная структура представляет собой SPDT-переключатель туннельного типа, то есть реализующий однополюсную схему переключения на два направления, содержащий два туннельных контакта, первый из которых образован первым неподвижным электродом 18 примыкающим к контактной области первого неподвижного электрода 12, расположенной на технологическом слое в области первого неподвижного электрода 7, который примыкает к основанию первого неподвижного электрода 2, жестко закрепленному на полуизолирующей подложке 1 и первым подвижным электродом 25, примыкающим к несущей балке 17; а второй туннельный контакт образован вторым неподвижным электродом 19 примыкающим к контактной области второго неподвижного электрода 13, расположенной на технологическом слое в области второго неподвижного электрода 8, который примыкает к основанию второго неподвижного электрода 3, жестко закрепленному на полуизолирующей подложке 1 и вторым подвижным электродом 26, примыкающим к несущей балке 17, на которой выполнены два П-образных выреза 31 и два дополнительных выреза 32 таким образом, что они формируют две связанные по принципу двунаправленного рычага или качелей подвижные балки на упругих подвесах, на первой из которых выполнены первый подвижный электрод 25 и подвижный электрод первого электростатического актюатора 23, а на второй выполнены второй подвижный электрод 26 и подвижный электрод второго электростатического актюатора 24, и которая примыкает к несущему упругому подвесу 11; упругий подвес имеет U-образную форму и представляет собой сегмент цилиндрической оболочки, примыкающий одним концом к контактной области первого и второго подвижных электродов 16, контакту к первому и второму подвижным электродам 22 и якорной области первого и второго подвижных электродов 6 и жестко закрепленный относительно полуизолирующей подложки 1, а незакрепленным вторым концом примыкающий к несущей балке 17; первый электростатический актюатор образован неподвижным отклоняющим электродом 20, примыкающим к контактной области первого электростатического актюатора 14, расположенной на технологическом слое в области первого электростатического актюатора 9, который примыкает к основанию первого электростатического актюатора 4, жестко закрепленному на полуизолирующей подложке 1 и подвижным электродом первого электростатического актюатора 23, примыкающим к несущей балке 17; второй электростатический актюатор образован неподвижным отклоняющим электродом 21, примыкающим к контактной области второго электростатического актюатора 15, расположенной на технологическом слое в области второго электростатического актюатора 10, который примыкает к основанию второго электростатического актюатора 5, жестко закрепленному на полуизолирующей подложке 1 и подвижным электродом второго электростатического актюатора 24, примыкающим к несущей балке 17.
Несущий упругий подвес 11, технологический слой в области первого неподвижного электрода 7, технологический слой в области второго неподвижного электрода 8, технологический слой в области первого электростатического актюатора 9, технологический слой в области второго электростатического актюатора 10, технологический слой упора несущей балки 28 выполнены из двухслойного материала таким образом, что поверхности, примыкающие к якорной области первого и второго подвижных электродов 6, то есть внешняя поверхность упругого повеса, основанию первого неподвижного электрода 2, основанию второго неподвижного электрода 3, основанию первого электростатического актюатора 4, основанию второго электростатического актюатора 5, основанию упора для несущей балки 27 соответственно сформированы из сжатой пленки арсенида индия второго типа проводимости, а поверхности, примыкающие к контактной области первого и второго подвижных электродов 16 (то есть внутренняя поверхность упругого подвеса), контактной области первого неподвижного электрода 12, контактной области второго неподвижного электрода 13, контактной области первого электростатического актюатора 14, контактной области второго электростатического актюатора 15, области размещения упора для несущей балки 29 сформированы из растянутой пленки арсенида галлия второго типа проводимости.
После формирования структуры и всех ее основных областей в развернутом виде (Фиг. 1) проводится операция селективного травления жертвенного слоя, в результате чего часть структуры, содержащая несущую балку 17, подвижный электрод первого электростатического актюатора 23, подвижный электрод второго электростатического актюатора 24, первый подвижный электрод 25, второй подвижный электрод 26 отрывается от подложки и скручивается в области между внутренним концом несущей балки 17 и контактной областью первого и второго подвижного электрода 16, формируя несущий упругий подвес 11. В полностью сформированной структуре несущая балка переориентируется таким образом, что ее свободный конец лежит на упоре для несущей балки 30, а области подвижных электродов 23, 24, 25, 26 оказываются сориентированными над соответственными областями неподвижных электродов 18, 19, 20, 21.
Электроды 25 и 26 сформированы таким образом, что при сворачивании конструкции между ними и соответственными неподвижными электродами 18 и 19 образуются субтуннельные пространственные зазоры.
Работает устройство следующим образом. При подаче напряжения на неподвижный электрод первого электростатического актюатора 20 относительно подвижного электрода первого электростатического актюатора 23 можно добиться их взаимного притяжения за счет электростатических сил. При этом неподвижный электрод второго электростатического актюатора 21 и подвижный электрод второго электростатического актюатора 24, напротив, отдалятся друг от друга, за счет того, что сформированные П-образными (31) и дополнительными (32) вырезами подвижные балки связаны по принципу двунаправленного рычага или качелей. И наоборот, при подаче напряжения на неподвижный электрод второго электростатического актюатора 21 относительно подвижного электрода второго электростатического актюатора 24 взаимное притяжение за счет электростатических сил возникнет между ними, а неподвижный электрод первого электростатического актюатора 20 и подвижный электрод первого электростатического актюатора 23 отдалятся друг от друга.
При сближении или отталкивании электродов электростатических актюаторов 20, 23, 21, 24, происходит сближение или отталкивание соответственных электродов 18, 25, 19, 26.
В случае сближения электродов 18 и 25 при подаче положительного напряжения питания на неподвижный электрод 18 относительно подвижного электрода 25 (а соответственно и относительно контакта к подвижным электродам 22) вследствие малости разделяющего их пространственного зазора электроны туннелируют из области подвижного электрода 25 в область неподвижного электрода 18 сквозь потенциальный барьер, образованный пространственным зазором, и создают туннельный ток.
В случае сближения электродов 19 и 26 при подаче положительного напряжения питания на неподвижный электрод 19 относительно подвижного электрода 26 (а соответственно и относительно контакта к подвижным электродам 22) вследствие малости разделяющего их пространственного зазора электроны туннелируют из области подвижного электрода 26 в область неподвижного электрода 19 сквозь потенциальный барьер, образованный пространственным зазором, и создают туннельный ток.
Таким образом, за счет включения первого (контакты 20, 23) или второго (контакты 21, 24) электростатических актюаторов, можно варьировать величины пространственных зазоров между парами электродов (18, 25) и (19, 26), а соответственно управлять тем, в какой паре электродов возникнет туннельный ток.
Таким образом, предлагаемое устройство представляет собой интегральный микромеханический туннельный переключатель, обеспечивающий за счет эффекта туннелирования носителей заряда между подвижным и неподвижным электродами малый ток утечки, энергоэффективность, хорошие динамические характеристики, возможность применения в электронике сверхмалого энергопотребления. Кроме того, наличие туннельного зазора позволит избежать прямого контакта электродов в процессе переключения, что является решением проблемы «залипания» контактов.