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半导体

新材料新技术推动无源电子元件发展

清华大学材料系长江学者特聘教授周济
随着各种新概念、新理论、新材料、新技术被用于无源元件领域,无源元件已经成为一个创新十分活跃的技术领域。
近半个世纪以来,信息技术的高速发展改变着人类文明的进程,这在很大程度上得益于半导体器件集成技术的不断创新。这一现象被描述为著名的摩尔定律,即半导体集成电路的集成度每18个月翻一番。相比之下,半导体器件以外的为数众多的电子元件,我们统称为无源元件的发展则相对缓慢,构成了电子技术发展的一个瓶颈。
随着各种新概念、新理论、新材料、新技术被用于无源元件领域,无源元件已经成为一个创新十分活跃的技术领域。

新一代无源集成材料相继问世

近年来出现的低温共烧陶瓷技术(LTCC)使无源元件的集成成为可能。LTCC技术是集互联、无源元件和封装于一体的多层陶瓷制造技术。其基本原理是将多层陶瓷元件技术与多层电路图形技术相结合,利用低温烧结陶瓷与金属内导体在900℃以下共烧,在多层陶瓷内部形成无源元件和互连,制成模块化集成器件或三维陶瓷基多层电路。该技术为无源电子元件的集成和高密度、系统级电子封装提供了理想的平台。LTCC技术涉及一系列复杂的科学技术问题,而其核心问题之一则是低温共烧陶瓷材料。
低温共烧陶瓷材料是LTCC技术的基础。其中最重要的材料是低介电常数(ε在10以下)低烧陶瓷,而目前亟待突破的难点是实现性能的系列化。尽管文献报道的低介LTCC材料种类很多,但迄今可商品化的基本上属于两大类材料:一类是微晶玻璃系统,有实用价值的是以Ca0-B203-Si02为主配方的材料系统(简称CBS系),为美国Ferro公司的专利。其特点是结晶相直接从玻璃中析出,因此材料具有较好的显微结构均匀性。其主要问题是,B3+的增多会增大材料介质损耗并降低其力学性能,而Si4+增加则会使烧结温度增高,因此难于对体系组分进行调整以实现系列化。第二类是以陶瓷氧化物颗粒和低熔玻璃相复合的陶瓷-玻璃复合材料。美国杜邦公司和德国Heraeus公司的LTCC瓷料属于这一类。这类体系性能可调的前提是能够进一步降低玻璃相熔点,而杜邦公司和Heraeus公司所选择的低烧玻璃主要是硼硅系玻璃和钠玻璃,其中促进烧结温度降低的Na和B的组分的增加都将导致介电损耗的增加。可见,制约低介LTCC材料系列化的核心问题是材料的烧结温度与介电性质之间的矛盾。现有商用低介电常数LTCC材料的组成均选择在其性能所能容忍的最低烧结温度点上,任何对材料掺杂改性的努力均将导致材料烧结温度的提高,使材料无法满足共烧要求。而只有基方材料同时具有低介电常数、介电损耗以及低的烧结温度,才能承受更多的改性组分的引入以实现对材料性能(如介电常数、热性能、机械特性等)的调节。因此,寻找兼具有低的介电常数及介电损耗和低的烧结温度的基方材料是实现高性能系列化低介LTCC材料的关键。
近年来,我们通过系统地研究,发展出了以硅铝氟氧化物为基础的新一代LTCC基方材料。通过氟的引入不仅有效降低了介质的介电常数和介电损耗,还更大幅度地降低了陶瓷的烧结温度。通过氟的调制,使基方材料在加入各种高熔点调节剂时依然可以实现低温烧结,因而具有广阔的优化和剪裁空间。

超常电磁介质不断改进

电磁介质是无源电子元件的基础和核心部分,无源元件的重大发展很大程度上得益于介质材料的改进和提高。然而,经过近一个世纪的探索,常规介质材料的可改进空间已经越来越小。“超常介质”(metamaterials,又称“超材料”)指的是一大类具有人工设计结构和超常物理性质的材料系统。近年来,光子(电磁波)带隙理论、左手介质理论等的提出为设计这类新型材料系统提供了理论依据。超常介质可望为无源元件和无源集成的发展提供一个突破口,具有超常物理性质的介质有可能成为新一代电子元件的基础。一些基于超常介质的新型无源元件,如超小型化的滤波器、微型天线、无绕线电感等相继被提出。通过人工设计的结构可望使用较少的(1-2种)材料实现通常需要多种材料才能实现的多种元件功能,这将有利于克服无源集成所面临的材料兼容障碍。同时,以无源元件为结构单元的网络也是目前实现各种超常物理特性设计的基础。

  忆阻器被证实存在

按照我们目前的知识,基本的无源电子元件只有3大类,即电阻器、电容器和电感器。而事实上,无源电路中有4大基本变量,即电流、电压、电荷和磁通量。早在1971年加州大学伯克利分校的蔡少棠(LeonChua)教授就提出一种预测:应该有第四个元件的存在。他在其论文《忆阻器:下落不明的电路元件》提出了一类新型无源元件—记忆电阻器(简称忆阻器)的原始理论架构,推测电路有天然的记忆能力。忆阻器是一种有记忆功能的非线性电阻。通过控制电流的变化可改变其阻值,如果把高阻值定义为“1”,低阻值定义为“0”,则这种电阻就可以实现存储数据的功能。
2008年,美国惠普实验室下属的信息和量子系统实验室的研究人员在英国《自然》杂志上发表论文宣称,他们已经证实了电路世界中的第四种基本元件———忆阻器(Memristor)的存在,并成功设计出一个能工作的忆阻器实物模型。在该系统中,固态电子和离子运输在一个外加偏置电压下是耦合在一起的。这一发现可帮助解释过去50年来在电子装置中所观察到的明显异常的回滞电流—电压行为的很多例子。忆阻器器件的最有趣的特征是它可以记忆流经它的电荷数量。其电阻取决于多少电荷经过了这个器件,即让电荷以一个方向流过,电阻会增加;如果让电荷以反向流动,电阻就会减小。简单地说,这种器件在任一时刻的电阻是时间的函数———多少电荷向前或向后经过了它。
目前已经可以通过一些技术途径实现忆阻器,但制约这类新硬件发展的主要问题是电路中的设计。目前还没有忆阻器的设计模型使其用于电路当中。有人预测,这种产品5年后才可能投入商业应用。
忆阻器将有可能用来制造非易失性存储设备、即开型PC(个人电脑)、更高能效的计算机和类似人类大脑方式处理与联系信息的模拟式计算机等,甚至可能会通过大大提高晶体管所能达到的功能密度,这将对电子科学的发展历程产生重大影响。


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