Введение к работе
Актуальность темы исследований
Развитие твердотельной электроники сопровождается сокращением размеров активных областей приборов. Особый интерес исследователей вызывают гомо- и гетероструктуры с характерными размерами, сопоставимыми с длинами релаксации параметров электронного газа [1]. Однако до настоящего времени вопрос радиационного воздействия на транспорт электронов в таких приборах был практически не исследован. При этом математическое моделирование является подчас единственным средством, позволяющим анализировать физические процессы формирования радиационных дефектов и транспорта электронов в радиационно-нарушенных структурах.
Известно, что воздействие радиации приводит к образованию различного рода дефектов и ионизации полупроводника [2, 3]. В частности, при нейтронном облучении в результате каскадных смещений атомов помимо точечных дефектов образуются разупорядоченные области [4] — кластеры дефектов, состоящие из более мелких и плотных образований - субкластеров. Такие объекты окружены пространственным зарядом и препятствуют движению электронов. При этом рассеяние холодных носителей происходит на кластерах в целом [5], а горячих - на отдельных субкластерах [6].
Ранее при моделировании "ранспорта электронов в субмикронных приборах рассеяние носителей заряда на субкластерах радиационных дефектов учитывалось в приближении равномерного распределения и одинакового (среднего) размера субкластеров [6]. В условиях наноэлек-троники такого приближения может быть недостаточно. В случае, когда размеры кластеров или расстояния между ними сравнимы с размерами активных областей (сверхкороткие структуры, воздействие высокоэнергетических нейтронов) или при низких флюенсах нейтронного облучения, изменение характеристик транспорта носителей заряда будет определяться уже не средним размером субкластеров, а их распределением по размерам, а также распределением расстояний между ними.
Кроме того, вблизи границ раздела материалов гетероструктур топология кластеров радиационных дефектов имеет особенности: отличия параметров материалов (масс атомов, плотностей, сечений взаимодействия с нейтронами) могут приводить к усилению или ослаблению влияния радиации на приграничные области, а напряженные слои гетероструктур склонны к накоплению дефектов. В итоге, топология твердотельных приборов начинает влиять на распределение и состав радиационных дефектов в полуыршидниковон структуре.
I БИБЛИОТЕКА !
И, наоборот, поскольку характерные размеры активных областей современных приборов сравнимы с длинами проявления перечисленных выше эффектов, радиационные нарушения могут повлиять не только на количественные, но и на качественные характеристики протекания тока - пространственное распределение носителей в активной области, характер их движения и т.д. Это потребовало развития метода исследования топологии кластеров радиационных дефектов и ее учета при анализе модификации транспорта электронов. Последнее позволило прогнозировать изменение электрических свойств структуры при радиационном воздействии.
Важным направлением радиационной физики твердого тела является избирательное изменение свойств материалов и структур посредством радиационного воздействия. Предметом многих исследований является протонная обработка материалов [7], широко применяемая для изоляции контактных площадок приборов от активных областей и изоляции приборов Друг от друга в интегральных схемах. Однако вопрос радиационной модификации характеристик подобных структур требует дополнительного рассмотрения, поскольку влияние различных видов радиации неаддитивно, что связано с существенной зависимостью процессов формирования и стабилизации дефектов в твердом теле от свойств исходного материала [3] и топологии приборов. После облучения изначально дефектной структуры результирующие характеристики могут быть иными, чем в случае бездефектного материала, что открывает дополнительные возможности для применения радиационных технологий.
Цель работы
Анализ топологии радиационных дефектов и транспорта носителей заряда в гетероструктурах полевых транзисторов с барьером Шоттки при облучении нейтронами различных энергий с применением методов численного моделирования.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
Развитие метода, разработка и апробация алгоритма анализа структуры радиационных нарушений в полупроводниках с учетом: а) пространственного расположения субкластеров и их распределения по размерам; б) распределения расстояний между субкластерами в приборных структурах с нанометровыми рабочими слоями GaAs; в) усиления влияния нейтронного воздействия на границах раздела материалов гетероструктур.
-
Развитие метода экспериментального исследования размеров субкластеров радиационных дефектов, основанного на анализе балли-
стической проводимости нанометровых транзисторных структур.
-
Разработка математической модели, проведение моделирования и анализ радиационной модификации транспорта носителей заряда и электрофизических характеристик гетероструктур квазибаллистических полевых транзисторов Шоттки (с длиной канала 30-200 нм) с буферными слоями на основе GaAs, тройного соединения AlGaAs и сверхрешетки AlAs/GaAs до и после облучения нейтронами с энергией ~1МэВи14МэВ.
-
Теоретическое и экспериментальное исследование влияния гамма- и нейтронного излучений на электрические свойства облученных протонами встречно-штыревых GaAs структур; анализ радиационных изменений параметров периферийных областей полевых транзисторов с барьером Шоттки.
-
Теоретическое исследование влияния пространственного распределения точечных радиационных дефектов, возникающих при протонном облучении мощного полевого транзистора с многосекционным затвором Шоттки, на характеристики транспорта электронов.
Научная новизна
-
Развит комплексный теоретический метод анализа топологии кластеров радиационных дефектов, учитывающий проявление эффекта усиления влияния нейтронного облучения на границах раздела материалов и включающий: а) моделирование процесса дефектообразова-ния в приборной структуре методом Монте-Карло; б) исследование пространственного распределения дефектов в составе кластера; в) расчет фрактальной размерности кластера.
-
Предложен неразрушающий экспериментальный метод анализа внутренней структуры кластеров радиационных дефектов посредством горячих электронов в баллистических полупроводниковых структурах и приборах.
-
Впервые исследован транспорт носителей заряда в условиях одновременного проявления квазибаллистических и радиационных эффектов с учетом взаимного влияния топологий прибора и радиационных дефектов в условиях динамического управления длиной канала транзистора.
-
Впервые на основе экспериментальных и теоретических результатов проведено сравнение воздействия нейтронов с энергиями ~1 МэВ и 14 МэВ на характеристики квазибаллистического транспорта электронов вдоль гетерограницы в полевых транзисторах с V-образным затвором Шоттки.
-
Впервые исследовано проявление квантовых эффектов взаимо-
действия горячих электронов с кластерами радиационных дефектов при движении носителей заряда в радиационно-нарушенных наномет-ровых полупроводниковых структурах.
Практическая значимость работы
1. Разработан пакет прикладных программ для теоретического ис
следования топологии кластеров радиационных дефектов, в том числе:
а) в приборных структурах с нанометровыми рабочими слоями GaAs;
б) в условиях проявления эффекта усиления влияния нейтронного излу
чения на границах раздела материалов исследуемых гетероструктур.
-
На основе предложенного экспериментального метода исследования внутренней структуры кластеров радиационных дефектов получены зависимости сечения рассеяния носителей заряда на кластерах и субкластерах дефектов от энергии электронов.
-
Разработан пакет прикладных программ для расчета радиационных изменений характеристик полевых транзисторов Шоттки с гетеро-структурными слоями и длинами каналов до 30 нм с учетом топологии кластеров радиационных дефектов при различных уровнях радиационного воздействия.
-
Теоретически и экспериментально исследована стойкость к облучению нейтронами с энергией ~1 МэВ и 14 МэВ GaAs полевых транзисторов с V-образным затвором Шоттки (с длиной канала 30-200 нм) с гомо- и гетероструктурными буферными слоями на основе GaAs, тройного соединения AlGaAs и сверхрешетки AlAs/GaAs. Показано, что: а) при флюенсе 2-Ю15 см"2 нейтронов с энергией ~1 МэВ крутизна вольт-амперных характеристик гомоструктурного транзистора снижается примерно на 80% от исходного значения, гетероструктурного транзистора с буферным слоем на основе тройного соединения AlGaAs - на 30% и гетероструктурного транзистора с буферным слоем на основе сверхрешетки AlAs/GaAs - на 15%; б) при воздействии того же флюенса нейтронов с энергией 14 МэВ гомоструктурный прибор выходит из строя, тогда как крутизна вольт-амперных характеристик транзистора с AlGaAs гетеробуфером снижается на те же 30%.
-
Даны практические рекомендации по оптимизации конструкции исследуемых структур с применением радиационных технологий: а) использование протонной обработки для создания радиационно-стойких фото детекторов; б) профилирование каналов мощных полевых транзисторов с многосекционным затвором посредством селективного дефектообразования для повышения рабочей частоты и радиационной стойкости приборов.
Результаты диссертации использованы на ряде предприятий при моделировании радиационно-стойких интегральных схем, а также на кафедре электроники ННГУ при подготовке лабораторного практикума по курсам «Твердотельная электроника», «Физика полупроводниковых приборов» и разработке спецкурса «Моделирование полупроводниковых приборов».
Основные положения, выносимые на защиту
-
При облучении нейтронами с энергиями ~1 МэВ в GaAs распределение размеров субкластеров радиационных дефектов имеет колоко-лообразный вид; распределение ограничено со стороны малых расстояний. Средний размер субкластеров составляет около 11 нм.
-
Анализ экспериментальных вольт-амперных характеристик короткоканальных полевых транзисторов с барьером Шоттки позволяет определить сечения рассеяния горячих электронов на субкластерах радиационных дефектов. При облучении GaAs короткоканального транзистора нейтронами с энергией ~1 МэВ размеры субкластеров, найденные из определенных с использованием данного метода сечений рассеяния электронов в канале, сильно зависят от материала затвора и составляют около 30 нм в случае золотого электрода и 10 нм в случае алюминиевого.
-
При облучении нейтронами с энергией ~1 МэВ квазибаллистических полевых транзисторов Шоттки с длиной затвора около 50 нм и различными конструкциями буферных слоев происходит последовательное снижение в 2-3 раза деградации крутизны вольт-амперных характеристик приборов в ряду элементного состава буферного слоя: GaAs, AlGaAs, AlAs/GaAs сверхрешетка.
-
При облучении нейтронами с энергией 14 МэВ относительные изменения крутизны вольт-амперных характеристик и порогового напряжения квазибаллистических полевых транзисторов Шоттки с GaAs буферным слоем в 1,2-2 раза выше, чем при облучении нейтронами с энергией ~1 МэВ. В пределах статистического разброса изменения характеристик гетероструктурных квазибаллистических полевых транзисторов с AlGaAs буферным слоем при облучении нейтронами с энергией ~1 МэВ и 14 МэВ неразличимы.
Личный вклад автора в получение результатов
В работах по развитию метода анализа топологии кластеров радиационных дефектов в полупроводниковых материалах и приборах [А1, А2] вклад автора является определяющим с точки зрения постановки
задачи, разработки пакета прикладных программ, проведения расчетов и анализа полученных результатов. В работах по развитию экспериментального метода исследования структуры кластеров радиационных дефектов [АЗ-А5] вклад автора является определяющим с точки зрения разработки и апробации метода. Вклад автора диссертации и научного руководителя Оболенского С. В. в разработку пакета прикладных программ для исследования радиационной модификации транспорта электронов в каналах гомо- и гетероструктурных квазибаллистических полевых транзисторов равноценен. Исследование модификации характеристик гомо- и гетероструктурных квазибаллистических полевых транзисторов после облучения нейтронами различных энергий [А6-А11] проводилось совместно с Оболенским С. В., Козловым В. А., Китаевым М. А., Громовым В. Т. и др. Вклад соавторов равноценен. Все расчеты, результаты которых представлены в диссертации, проведены автором. В работах по исследованию изменения характеристик обработанных протонами периферийных областей транзисторов [А 12, А13] автор участвовала в обсуждении результатов эксперимента (совместно с Мурелем А. В. и др.) и проводила моделирование процесса дефектообразования. В работах по исследованию характеристик транспорта электронов в профилированном канале полевого транзистора с многосекционным затвором [А14, А15] вклад соавторов равноценен.
Публикации и апробация результатов
Основные результаты диссертации отражены в 15 публикациях, в том числе, 9 статьях в реферируемых журналах и 6 тезисах научных конференций и семинаров: XXXIV Международной конференции «Физика взаимодействия заряженных частиц с кристаллами» (Москва, МГУ, 31 мая - 2 июня 2004), Международной конференции «Nonequilibrium Carrier Dynamics in Semiconductors» (Chicago, 24-29 June 2005), Российской научно-технической конференции «Радиационная стойкость электронных систем» (Лыткарино, 3-5 июня 2003, 1-3 июня 2004), Всероссийского семинара «Физические и физико-химические основы ионной имплантации» (Н. Новгород, НИФТИ, 15-17 октября 2002,26-29 октября 2004).
Структура и объем диссертации
