автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Физико-топологическое моделирование характеристик субмикронных полевых транзисторов на арсениде галлия с учетом радиационных эффектов

На правах рукописи

ОБОЛЕНСКИЙ СЕРГЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

ФИЗИКО-ТОПОЛОГИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК СУБМИКРОННЫХ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ НА АРСЕНИДЕ ГАЛЛИЯ С УЧЕТОМ РАДИАЦИОННЫХ ЭФФЕКТОВ

05.27.01 - Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Автор:

Москва-2003 г.

Работа выполнена в нижегородском государственном университете им. Н.ИЛобачевского

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Агаханян Тате вое Мамиконович Доктор технических наук, профессор Кравченко Лев Николаевич Доктор технических наук, профессор Гамкрелидзе Сергей Анатольевич

Ведущая организация: ФГУП НПП «САЛЮТ»

Защита состоится 20 октября 2003 г. в 15 часов 00 мин на заседании диссертационного совета Д 212.130.02 в МИФИ по адресу: 115409, Москва, Каширское ш., 31. т. 324-8498, 323-91-76.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИФИ.

Автореферат разослан « ^ » сентября 2003 г.

Просим принять участие в работе совета или прислать отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью организации.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор Петров Г.В.

2-со?-Д

144(5

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертация посвящена ФИЗИКО-ТОПОЛОГИЧЕСКОМУ МОДЕЛИРОВАНИЮ ХАРАКТЕРИСТИК СУБМИКРОННЫХ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ НА АРСЕНИДЕ ГАЛЛИЯ С УЧЕТОМ РАДИАЦИОННЫХ ЭФФЕКТОВ, позволяющему решить важнейшую народнохозяйственную задачу определения и обеспечения стойкости перспективной элементной базы сверхвысокочастотных устройств связи и систем управления объектов специального назначения (в том числе военной техники) при улучшении их технико-экономических и эксплуатационных характеристик.

Актуальность проблемы Развитие полупроводниковой электроники связано с уменьшением размеров активных областей активных элементов (диодов и транзисторов), которое на сегодняшний день достигло значений 0,1 мкм и менее. Принципиальное изменение физических процессов движения электронов в таких структурах позволило повысить предельные частоты, уменьшить необходимую для переключения энергию, а также снизить длину линий передачи данных в интегральных схемах (ИС).

В последние годы идет исследование взаимодействия различных видов фотонного и корпускулярного излучений с составными частями радиоэлектронной аппаратуры: интегральными схемами и дискретными полупроводниковыми приборами. С одной стороны, важность подобных исследований обусловлена проблемой радиационной стойкости военных и космических систем, а с другой стороны - развитием и все большим применением радиационных технологических процессов, использующихся для изготовления и во время испытаний полупроводниковых устройств. Применение математических моделей позволяет не только экономить время и средства, требуемые для разработки аппаратуры, но часто является единственно возможным средством, позволяющим понять и наглядно представить физические процессы, протекающие в субмикронных структурах полупроводниковых приборов при радиационном воздействии.

Воздействие радиационного излучения приводит к образованию дефектов и ионизации полупроводника. Радиационные дефекты условно можно разделить на точечные (вакансия и атом в междоузлии), комплексы дефектов (например, вакансия - атом примеси) и кластеры радиационных дефектов (КРД), т.е. скопления точечных дефектов и их комплексов, образующиеся при воздействии быстрых нейтронов, космических протонов и более тяжелых частиц. Тенденция к уменьшению размеров активных областей субмикронных полупроводниковых приборов имеет физические ограничения, связанные: а) с неравномерностью распределения и конечным числом точечных заряженных центров (ионов примеси, дефектов и т.п.) в приборах; б) размером протяженных областей пространственного заряда (ОПЗ) (р-п переходов, барьеров Шоттки, КРД и т.п.), которые определяются уровнями легирования слоев полупроводника. Последнее наиболее существенно в перспективных приборах с длинами активных областей 0,1 мкм и менее.

В условиях радиационного воздействия уменьшение размеров структур приводит к принципиальным изменениям физики работы приборов, связанных с тем, что: 1) ха-

рактерные пространственные масштабы изменения электрического поля сопоставимы с длинами релаксации энергии и импульса электронов и длиной свободного пробега электронов; 2) характерные размеры рабочих областей приборов сравнимы с расстоянием между КРД; 3) характерные размеры рабочих областей приборов сопоставимы с размерами КРД; 4) ионизирующее излучение разогревает электронный газ, который не успевает остывать за времена пролета рабочей области приборов; 5) при облучении нейтронами происходит перестройка протонированных изолирующих областей ИС, что сказывается на процессах протекания тока и фоточувствительности; 6) взаимодействие ионизирующих излучений (особенно лазерных) с нанометровыми металлическими объектами имеет особенности; 7) радиационные технологические процессы (например, гет-терирование) существенно изменяют электрофизические характеристики полупроводника. что заметным образом сказывается на процессах формирования радиационных дефектов в субмикронных приборах; 8) электроны, разогнанные до энергий 0,5—1 эВ большими электрическими полями (~ 100 кВ/см) в субмикронных приборах, могут проникать сквозь КРД, что принципиально меняет подход к моделированию радиационной -стойкости приборов.

Поглощение радиационного излучения в субмикронных структурах вблизи границ раздела материалов имеет свои особенности. Различия в атомных весах, плотности, сечениях взаимодействия с фотонами и быстрыми частицами порождают неравновесные процессы на границах раздела, приводящие как к усилению радиационного воздействия, так и к его ослаблению. Характерные длины проявления подобных эффектов сравнимы с размерами рабочих областей современных приборов (~ 0,05...0,1 мкм), поэтому неоднородности в дефектообразовании и ионизации, разогреве электронного газа и возникновении квантово-размерных структур КРД приводят к качественному изменению процесса протекания тока в активных областях приборов. Несмотря на то, что длины рабочих областей современных приборов сравнимы с длиной бесстолкновительного пролета электронов и, казалось бы, радиационные дефекты не должны влиять на функционирование приборов, при некоторых значениях напряженностей электрических полей это влияние вызывает улучшение характеристик субмикронных приборов.

Иная ситуация возникает на границах раздела полупроводника с металлическим объектом, имеющим нанометровые размеры. Несмотря на то, что процесс взаимодействия радиационного излучения с многослойными композициями носит случайный характер, в манометровых областях, прилегающих к граням протяженных металлических объектов, кластеры радиационных дефектов за счет эффекта усиления флюенса будут расположены упорядочено, по крайней мере по двум из трех координат. Последнее приводит к существенному изменению транспорта электронов в таких областях. Необходимо учитывать не только процессы, протекающие вблизи двумерных объектов (границ раздела), но и принимать в расчет одномерные объекты: протяженные грани металлических контактов, цепочки КРД и т.д. Требуется модифицировать математические модели для адекватного описания процессов в субмикронных приборах, проведения оп-

тимизации их конструкции (в том числе и по параметру «радиационная стойкость») и обработки результатов экспериментов и испытаний.

Решению этих вопросов, а именно, моделированию доминирующих радиационных эффектов в арсенидгаллиевых субмикронных и квазибаллистических ПТШ при радиационном облучении, разработке расчетно-экспериментальных методов прогнозирования стойкости субмикрониых полупроводниковых приборов, разработке методов повышения стойкости перспективной ОаАв элементной базы с целью обеспечения заданных уровней - посвящены исследования, проводившиеся с 1990 по 2002 год, итогом которых и является данная диссертация.

Состояние исследований по проблеме Для анализа движения носителей заряда в полупроводниковом материале и моделирования поглощения радиационного излучения в многослойных композициях разработан целый ряд математических моделей, в том числе, основанных на методе частиц (с использованием математической процедуры Монте-Карло). Но до сих пор при расчетах радиационной стойкости субмикронных полупроводниковых приборов использовались упрощенные методы моделирования, основанные на замене исследуемого прибора эквивалентной схемой. Эта методика оправдана для приборов, имеющих микронные топологические нормы, и не позволяет учесть перечисленные выше физические эффекты, связанные с субмикронными размерами областей.

Для анализа процессов в субмикронных приборах требуется сочетание физико-топологического моделирования (квазигидродинамическое приближение) с привлечением метода частиц на основе процедуры Монте-Карло. Наиболее важным преимуществом в подобном сочетании методов является возможность комплексного анализа процессов ионизации, дефектообразования и электронного транспорта в многослойных на-нометровых структурах. Благодаря использованию физико-топологических моделей полупроводниковых приборов, которые в том или ином приближении рассчитывают реальное движение носителей заряда, за счет изменения условий протекания электронов удается моделировать перечисленные выше процессы, получая реальную картину взаимодействия электронов с изменяющимися во времени нанометровыми структурами КРД. Применительно к субмикронным приборам такая работа ранее не проводилась.

Отсутствие единого подхода к моделированию комплексного радиационного воздействия на субмикронные полупроводниковые приборы и отличие в экспериментальных данных по радиационной стойкости для отечественных и зарубежных субмик-роиных приборов обуславливает необходимость разработки законченной системы расчетно-экспериментальных методов моделирования. Двумерное и трехмерное нестационарное моделирование движения носителей заряда при воздействии квантов и быстрых частиц, а также расчет распределения тепла в полупроводниковых структурах позволяет в динамике изучать процессы перераспределения концентрации и энергии носителей заряда, электрического поля и обусловленных ими электрических токов. Последнее весьма важно при обработке результатов экспериментов, когда за измеренными зависи-

мостами токов и напряжений от времени скрываются комплексные процессы взаимодействия электронного газа с кристаллической решеткой и радиационным излучением.

Предлагаемый для анализа действия радиации на приборы теоретический подход должен позволять: 1) проводить расчет пространственной структуры КРД и их распределения в пространстве как в однородном материале, так и в многослойных композициях; 2) моделировать бесстолкновительное движение электронов и прерывающие это движение процессы столкновений с радиационными дефектами, рассчитывать функции распределения электронов по энергии и заполнение энергетических долин; 3) использовать результаты аналитических расчетов и экспериментальные данные в качестве начальных и граничных условий; 4) проводить расчет статических и динамических параметров полупроводниковых приборов и радиотехнических схем в целом.

Экспериментальные исследования описанных выше процессов требуют применения комплексного подхода к анализу параметров материала, многослойных структур и приборов. Желательно в рамках одного анализируемого объекта проводить комплекс измерений, позволяющих определить максимальное число параметров как материала, так и прибора. Ранее подобный подход не использовался ввиду других пространственных масштабов (характерных длин) протекаемых процессов. Относительно большие размеры исследуемых приборов позволяли обходиться несколькими объектами, удобными для тех или иных измерений.

Цель диссертации - разработка методов и средств расчетно-экспериментального моделирования физических процессов в субмикронных арсенидгаллиевых полупроводниковых приборах с учетом размерных и радиационных эффектов, что позволит решить важную хозяйственную задачу определения и обеспечения стойкости перспективной сверхвысокочастотной элементной базы устройств связи и систем управления объектов специального назначения (в том числе и военной техники) при улучшении технико-экономических показателей за счет существенного сокращения затрат на стадии разработки, испытаний и совершенствования их эксплуатационных характеристик.

Поставленная цель достигается путем решения следующих теоретических и экспериментальных задач:

- проведение расчетов размеров и формы КРД, экспериментальные измерения характеристик радиационных дефектов (положения глубоких уровней), возникающих в структурах нанометровых рабочих областей квазибаллистических полевых транзисторов;

- разработка алгоритма расчета и проведение расчета электрофизических характеристик ОаАэ с радиационными повреждениями (точечными дефектами и КРД);

- измерение электрофизических характеристик субмикронных СаАв структур до и после дефектообразующего радиационного воздействия;

- разработка, реализация и экспериментальная апробация алгоритма расчета электрофизических характеристик субмикронных ОаАв структур с радиационными дефектами при ионизирующем воздействии излучения;

- теоретическое и экспериментальное сопоставление статических вольт-амперных (ВАХ) и вольт-фарадных (ВФХ) характеристик, а также динамических характеристик

(коэффициенты усиления и шума, выходная мощность и нелинейные искажения) полевых транзисторов с микронными, субмикронными и нанометровыми рабочими областями и слоями при различных уровнях радиационного воздействия;

- экспериментальное и теоретическое исследование процессов при радиационном облучении структур квазибаллистических полевых транзисторов (с длиной канала 0,05...0,1 мкм), функционирующих в режиме междолинной генерации;

- измерение импульсных токов субмикронных полевых транзисторов, а также фотодетекторов со специальным протонированным фоточувствительным слоем в момент воздействия импульса гамма-квантов наносекундной длительности;

- разработка и реализация алгоритма расчета поглощения радиационного излучения в приборных структурах с нанометровыми рабочими слоями в условиях проявления эффектов усиления мощности дозы гамма-излучения и флюенса нейтронного излучения;

- экспериментальное и теоретическое обоснование возможности улучшения характеристик квазибаллистического полевого транзистора с затвором Шоттки (с длиной канала 0,05...0,1 мкм) при нейтронном облучении;

- разработка и реализация алгоритма расчета статических и высокочастотных характеристик субмикронных полупроводниковых приборов при воздействии радиационного излучения с использованием нестационарной квазигидродинамической модели;

- экспериментальное исследование влияния процессов ионно-лучевого геттерирования на улучшение радиационной стойкости субмикронных полевых транзисторов. Научная новизна и значимость диссертации:

1. Впервые проведено моделирование процессов переноса носителей заряда в субмикронных полупроводниковых структурах с учетом детальной структуры КРД.

2. Впервые получены функция распределения по энергии, времена релаксации энергии и импульса электронов в п-ваЛв субмикронных структурах при дефектообразующем радиационном воздействии в сильных и слабых электрических полях.

3. Впервые экспериментально и теоретически изучено влияние радиационных дефектов на кинетику разогрева электронного газа в субмикронных СаАя структурах.

4. Обосновано использование приближения времён релаксации для моделирования процессов переноса носителей заряда в субмикронных приборных структурах при радиационном воздействии.

5. Предложена новая модель для анализа процессов разогрева электронного газа при воздействии ионизирующего излучения, которая позволила рассчитать радиационную стойкость субмикронных ПТШ (с длиной канала до 0,1 мкм), в том числе высокочастотные характеристики (коэффициенты усиления и шума) в момент воздействия импульсного гамма-облучения.

6. Проведены экспериментальные исследования радиационной стойкости субмикронных квазибаллистических ПТШ с У-образным затвором и длиной канала 0,05...0,1 мкм.

7. Экспериментально исследованы процессы дальнодействующего геттерирования в структурах ОаАв субмикронных полевых транзисторов с затвором Шоттки и подтверждено их влияние на улучшение радиационной стойкости прибора.

8. При облучении ПТШ ИК излучением теоретически и экспериментально исследованы процессы локального выделения энергии излучения в областях с размерами меньше длины волны излучения, прилегающих к У-образному затвору полевого транзистора с длиной канала 0,05...0,1 мкм.

Практическая значимость полученных в диссертации результатов:

1. На основе сопоставления теории и эксперимента определены области применимости моделей, основанных на методе Монте-Карло, квазигидродинамическом и локально-полевом приближениях.

2. Разработан пакет прикладных программ, который применялся для:

- расчета кинетических характеристик электронов в п-ваЛв с радиационными дефектами (точечными дефектами и КРД различного размера);

- моделирования процессов разогрева электронного газа в л-ваЛв с радиационными дефектами в переменных электрических полях;

- моделирования разогрева электронного газа в п-ОаАв при воздействии ионизирующего излучения в многослойных приборных структурах;

- расчета статических и динамических характеристик субмикронных полупроводниковых приборов при радиационном облучении.

3. Пакет прикладных программ введен в промышленную эксплуатацию (НИИИС) и используется для оценки радиационной стойкости дискретных полупроводниковых приборов и интегральных схем (НПП «Салют», ВНИИТФ). С его помощью оптимизирована конструкция нескольких типов полевых транзисторов и интегральных схем (НПП «Салют», НИИИС).

4. Разработана методика и экспериментальная установка для комплексного анализа характеристик квазибаллистических ПТШ при радиационном облучении.

5. Проведена серия испытаний субмикронных и квазибаллистических полевых транзисторов с затвором Шоттки производства НПП «Салют», которая продемонстрировала теоретически предсказанную высокую радиационную стойкость приборов. Рассчитанные с помощью разработанной модели характеристики субмикронных ПТШ при радиационном воздействии совпадают с результатами измерений. Использование результатов расчетов позволило уменьшить время и средства для экспериментального макетирования и испытаний при разработке радиационно-стойких субмикронных транзисторов и интегральных схем на их основе (НИИИС).

6. Проведено моделирование процессов движения электронов в ПТШ, подвергнутых ионно-лучевому геттерированию, и объяснены особенности процессов модификации характеристик структуры ПТШ, позволившие повысить его радиационную стойкость. Положительный эффект подобной технологии подтвержден патентом РФ.

7. Исследованы процессы локального поглощения энергии ИК излучения в областях, прилегающих к У-образному затвору ПТШ. Результаты исследования использованы для наноразмерной модификации структуры прибора, улучшившей его высокочастотные характеристики и радиационную стойкость. Экспериментально исследовано влияние нейтронного излучения на электрофизические характеристики протонированного ОаАз,

показана слабая зависимость фоточувствительности подобных структур при нейтронном облучении, изготовлена ИС фотодетектора с высокой радиационной стойкостью.

8. Результаты диссертации вошли в 12 научно-технических отчетов ННГУ и НИИИС.

9. Результаты диссертации использованы в ННГУ при подготовке учебных курсов «Твердотельная электроника» и «Методы моделирования полупроводниковых приборов», а также были использованы при подготовке лабораторного практикума по курсам «Твердотельная электроника» и «Физика полупроводниковых приборов». Результаты диссертации и пакет прикладных программ использованы в курсе дистанционного обучения «Твердотельная электроника», реализуемого через Интернет.

Публикаиии и апробация результатов

Основные результаты, представленные в диссертации отражены более чем в 100 научных публикациях, в том числе в 34 статьях, 2 патентах РФ, 37 трудах и 43 тезисах докладов международных и российских конференций: Международной конференции «Методы и средства оценки и повышения надежности приборов, устройств и систем» (Пенза, 1992г.); Международной межвузовской конференции «Современные проблемы электроники и радиофизики СВЧ» (Саратов, 4-8 сентября 1997 г.); Международной научной конференции «Системные проблемы теории надежности, математического моделирования и информационных технологий» (Сочи, 16-21 сентября 1997 г.); Международных научно-технических конференциях «Микроэлектроника и информатика» (Москва, Зеленоград, ноябрь 1993, 1994 и 1997 г.); VIII межнациональном совещании "Радиационная физика твердого тела" (Севастополь, 1998 г.); XI Международной зимней школе по СВЧ электронике и радиофизике (Саратов, 2-6 марта 1999 г.); Международных конференциях «Физика взаимодействия заряженных частиц с кристаллами» (Москва, МГУ, 1998, 1999, 2000, 2001, 2002); Российских конференциях «Радиационная стойкость электронных систем» (1998, 1999, 2000, 2001, 2002); Научной конференции «Структура и свойства твердых тел», (физфак ННГУ Н.Новгород, сентябрь 1999 г., октябрь 2000г.); III, IV, V Нижегородских сессиях молодых ученых (Н.Новгород, апрель 1998, 1999 г.2000г); Ежегодных конференциях по радиофизике (Н.Новгород, ННГУ 1992-2001г.). На семинарах кафедры электроники ННГУ, МИФИ, ИФМ РАН, НИФТИ, ГНПП «САЛЮТ», НИИИС, ВНИИТФ. Структура и объем диссертаиии

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Объем диссертации составляет 292 страниц, включая 275 страниц основного текста, 142 рисунка, 12 таблиц, и список цитируемой литературы из 159 наименований.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Основанный на процедуре Монте-Карло и квазигидродинамическом приближении метод анализа движения носителей заряда в субмикронных полупроводниковых структурах при радиационном воздействии, особенностями которого является введение дополнительных механизмов рассеяния на радиационных дефектах и учет энергетического распределения ионизованных носителей заряда. Показано, что КРД оказывают преобладающее влияние на электрофизические характеристики n-GaAs, облученного быст-

рыми нейтронами, при концентрации легирующей примеси больше 1016 см'3. Действие точечных дефектов доминирует при меньшей концентрации.

2. Результаты исследований комплексного гамма-нейтронного воздействия на субмикронные полупроводниковые структуры, показывающие, что при ионизации полупроводникового материала происходит разогрев электронного газа и уменьшение дрейфовой скорости носителей заряда в субмикронных структурах. Воздействие ионизирующего излучения на структуры с радиационными дефектами делает возможным увеличение дрейфовой скорости носителей заряда, первоначальное уменьшение которой было вызвано рассеянием на радиационных дефектах.

3. Экспериментальные данные и теоретический анализ поглощения ИК излучения в структурах транзисторов, которые показали, что вблизи заостренного металлического затвора происходит локальное выделение энергии излучения в нанометровых объемах, существенно меньших длины волны.

4. Результаты анализа радиационной стойкости ОаАэ квазибаллистического полевого транзистора с затвором Шоттки и длиной канала 0,05...0,1 мкм.

5. Данные об эффекте дальнодействующего ионно-лучевого геттерирования в структурах ПТШ, проявляющегося на внутренних границах раздела и приводящего к модификации электрофизических свойств эпитаксиальных слоев СаАв как в вертикальном, так и в латеральном направлении, а также повышающего радиационную стойкость субмикронных полевых транзисторов.

6. Материалы экспериментов по измерению электрофизических свойств протонирован-ного ОаАв при нейтронном воздействии, которые показывают, что за счет перестройки примесно-дефектной структуры фоточувствительность полупроводникового слоя слабо меняется при наборе нейтронного флюенса до значений порядка 10исм'2.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Исследование электрофизических характеристик эпитаксиальных СаАз структур субмикронных полупроводниковых приборов при радиационном воздействии

С целью получения исходных данных для создания моделей субмикронных полупроводниковых приборов в первой главе диссертации проведен анализ процесса взаимодействия радиационного излучения с субмикронными полупроводниковыми структурами. Имеющиеся в литературе аналитические оценки и модели уточнены, исходя из появившихся в последние годы экспериментальных данных и результатов компьютерных экспериментов. Разработана модель кластера радиационных дефектов как частично прозрачного для носителей заряда высокой энергии (0,3 ... 1 эВ) образования.

В ходе вычислений для каждой из энергий первичного атома - 10,25, 50,100,200 и 400 кэВ - были рассчитаны по 300 каскадов столкновений. В каждом каскаде проводился подсчет числа субкластеров радиационных дефектов (СКРД) с учетом их распределения по размерам и среднего расстояния между субкластерами (рис. 1, 2). Общая

картина такова: при нейтронном облучении ваЛя и 51 в полупроводниках возникают КРД с характерным размером субкластеров около 10 нм и расстоянием между ними 10...40 нм в ваЛв и 30...80 нм в 81. Поскольку у горячих электронов (с энергией больше 0,3 эВ) длина свободного пробега имеет величину менее 5... 10 нм, то столкновения электронов с субкластерами можно рассматривать отдельно.

С целью последующего моделирования процессов быстрого восстановления параметров субмикронных приборов после импульса нейтронного излучения рассматривались процессы формирования области стабильного КРД в СаАв. В отличие от кремния, баАв характеризуется практически неподвижными вакансиями и значительно большим разнообразием комплексов точечных дефектов. Поэтому на последней стадии формирования кластера его форма и заряд, определяющий поле в области пространственного заряда субкластеров КРД, будут определяться перестройкой комплексов дефектов вокруг относительно неподвижного и стабильного ядра. В среднем при облучении СаАв нейтронами с энергией 1,5 МэВ в КРД образуется 2... 10 устойчивых субкластера. ОПЗ субкластеров объединяются в единое целое, препятствующее движению низкоэнергетичных электронов, а электроны с энергиями более 0,2...0,5 эВ могут пролетать между субкластерами. Поскольку разброс величин расстояний между субкластерами велик, то практически в каждом кластере найдется «отверстие», через которое горячий электрон сможет проникнуть сквозь КРД (рис. 2).

„ 400

Размер суб кластера, А Рис. 1. Распределение субкластеров по размерам в каскаде столкновений для различных начальных энергий первичного атома. Данные приведены для Ба, внедряемого в СаАв

0,2 0,4 0,8 0,8 1 Энергия электронов, эВ

Рис. 2. Зависимости среднего расстояния меаду непрозрачными для электронов областями субкластеров от энергии электрона в п-СаЛв: концентрация

легирующей примеси 6-)0,7см"3 - (—); 10,5см"3- (---).

Цифрами указана энергия первичного атома Са (в кэВ). О - размер зазора между кластерами при котором существенным становится квантовое отражение

Для моделирования ионизационных токов в субмикронных полупроводниковых приборах при гамма-облучении исследовался процесс разогрева электронного газа за счет рождения гамма-квантами (50...5000 кэВ) первичных электронов (30...500 кэВ) и последующей генерации вторичных электронов с энергиями 0,2... 1 эВ. Показано, что

результирующая функция распределения электронов по энергии в момент гамма-облучения с точностью 10...20 % может быть аппроксимирована известным выражением для максвелловского распределения. Последнее позволяет использовать квазигидро-динамнческое приближение при анализе процессов в субмикронных приборах в момент гамма-облучения и учитывать таким образом изменение энергии электронного газа, приводящее к изменению пространственного распределения носителей заряда, их скорости, высокочастотных и статических параметров прибора в целом.

На основе результатов моделирования процессов взаимодействия радиационных излучений с субмикронными полупроводниковыми структурами показано, что из-за наличия механических напряжений, близости границ раздела метапл-полупроводник, на-нометровой толщины переходных и активных слоев приборов примесно-дефектная система структуры субмикронных приборов отличается от образцов с микронными размерами. В диссертации предложен экспериментальный подход к анализу процессов в субмикронных GaAs приборах при радиационном воздействии.

Исходя из совокупности анализируемых процессов, были выбраны структура и параметры исследуемых образцов, выделены основные и второстепенные структуры. Выбор образцов проводился так, чтобы исследуемые процессы разделялись, т.е. в одних типах образцов основными были процессы, связанные с изменением концентрации и подвижности носителей заряда, а в других - превалировали эффекты баллистического движения электронов. Оптимальным для проведения подобных измерений является полевой транзистор с затвором Шоттки (ПТШ). Анализ его вольт-амперных и вольт-фарадных характеристик позволяет получить не только профили распределения концентрации электронов и их подвижности по глубине, но и зависимость скорости носителей заряда от электрического поля. Все это в совокупности с наличием в распоряжении автора квазибаллистических ПТШ с эффективной длиной затвора менее 30 нм определило полупроводниковую структуру типа структуры ПТШ как основную для проведения экспериментальных исследований.

Для сопоставления эффектов в субмикронных и микронных структурах исследовались ПТШ с длинами затвора: 30 нм, 250 нм, ЗЗОнм, 500 нм, 700 нм, 1 мкм, 2 мкм, 10 мкм, 20 мкм, 50 мкм. Для учета влияния температуры на результаты измерений различались мощные ПТШ, с рабочей температурой в канале около 150° С, и малошумящие ПТШ, с практически комнатной температурой канала. Ширина транзисторов варьировалась от 25 до 4800 мкм, а ширина одной секции изменялась от 12 до 1000 мкм. Для более детальных экспериментов подбирались структуры, на которых были изготовлены транзисторы с 3...5 различными длинами затвора, при этом сопоставление результатов измерений проводилось только в пределах одной конкретной структуры. Между собой структуры сравнивались по усредненным данным. Дополнительные измерения проводились на диодах Шоттки, тестовых элементах для измерения контактных сопротивлений и сопротивлений металлизации, образцах кристаллов и структур для ИК спектроскопии, элипсометрии и холловских измерений.

Для статических измерений характеристик образцов использовался характерио-фаф Л2-56 и измерители емкости Е7-12 и Е7-14. Для проведения емкостной спектроскопии глубоких уровней использовался специальный стенд, позволяющий проводить измерения при сканировании по температуре от 77 К до 300 К. Также специально разработан метод нестационарной токовой спектроскопии, предназначенный для анализа быстропротекающей релаксации глубоких уровней после импульсного радиационного воздействия. Высокочастотные измерения характеристик ПТШ (коэффициенты усиления и шума и выходная мощность) проводились по стандартной методике.

Для анализа процессов быстрого восстановления характеристик субмикронных ПТШ при импульсном радиационном воздействии использовались установки ВНИИ-ЭФ, ВНИИТФ и НИИИС: КАВКАЗ, Аргумент, ЯГУАР, ИГУР, ВИР и т.д. Исследовалось влияние импульса гамма-облучения на ваЛв ПТШ с длиной канала 10; 1; 0,5; 0,25 и 0,1 мкм. Длительность импульса гамма-излучения составляла 20...30 не, мощность дозы - до 3-1010 Гр/с, средняя энергия квантов - 1 МэВ. Регистрировался фототок в полевом транзисторе в момент и непосредственно после радиационного облучения (рис. 3). Дополнительно регистрировался фототок во встречно-штыревом фотодетекторе. Благодаря малому времени жизни в протонированном слое ¡-ОаАв отклик фотодетектора повторял форму импульса гамма-облучения.

Анализ результатов измерений выявил два глубоких уровня, отвечающих за долговременные (до 100 мке) изменения тока транзисторов. Положение и глубина залегания уровней совпали с результатами емкостной спектроскопии. Экспериментальная зависимость хорошо апроксимируется суммой двух экспонент с разными знаками, соответствующих двум типам дефектов. По величине коэффициентов перед экспонентами были вычислены концентрации дефектов, а по характерным временам перезарядки оценена глубина залегания энергетического уровня дефектов. Получены следующие результаты: Ес- 0,8 эВ с концентрацией 10м см"3 и Ес- 0,4 эВ с концентрацией 3-Ю15 см'3.

На втором этапе измерений проводилась регистрация зависимостей тока транзисторов от времени при воздействии импульса нейтронного излучения (рис. 4) с флюен-сом порядка 3-1014 н/см2. Зафиксирован процесс перестройки комплексов радиационных дефектов в миллисекундном диапазоне. Анализ выходных ВАХ транзисторов, снятых через каждые 5 мс после нейтронного импульса, позволил оценить глубину залегания уровней, соответствующих радиационным дефектам в запрещенной зоне. Анализ экспериментальных данных и результаты расчета показали, что происходит перестройка структуры оболочки КРД. Характерное время перестройки составляет 5... 15 мс, а концентрация радиационных дефектов за это время уменьшается на порядок.

С целью анализа процессов в субмикронных приборах при комплексном радиационном облучении исследовались процессы формирования КРД в полупроводнике с большой концентрацией точечных радиационных дефектов при протонном и последующем нейтронном облучении ОаАэ. В связи с тем, что сопротивление образцов при больших дозах и флюенсах облучения велико, наиболее точным методом измерения

оказалась оптически индуцируемая токовая спектроскопия глубоких уровней радиационных дефектов.

¡Ч^хрил^мрН/^)

—{-i-í— —4—

Рис. 3. Напряжение на нагрузке ПТШ с длиной канала 0,1 мкм (верхний луч) и напряжение на фотодетекторе (нижний луч) прп одновременном облучении рентгеновскими квантами: верхний луч - 500 мВ/кл; нижний луч - 200 мВ/кл; развертка - 250 нс/кл. Стрелкой указан момент воздействия излучения. Высокочастотная наводка до момента излучения объясняется электромагнитным полем рентгеновской установки

Рис. 4. Релаксация ВАХ субмикроиного ПТШ после облучения импульсом нейтронов. Верхний луч - напряжение, пропорциональное току стока ПТШ: напряжение затвор-исток и,„= -1 В; напряжение на стоке пилообразное 0...5 В; развертка - 2 мс/кл. Нижний луч - сигнал с детектора нейтронного излучения

Для проведения измерений исследовался фоточувствительный элемент, конструктивно представляющий собой встречно-штыревую систему электродов, изготовленную на основе баЛв полуизолирующий подложки (АГЧП-4) с эпитаксиальным нелегированным слоем (1014 см"3), обработанной тремя дозами протонов по 5-Ю12... 10м см'2 каждая и энергиями 30, 60 и 90 кэВ соответственно. Расстояние между контактами варьировалось в пределах 5...50 мкм. Встречно-штыревая структура состояла из 10...50 штырей (длина штыря - 0,1...1 мм, ширина - 10...25 мкм). Создаваемая протонами толщиной до 1,2 мкм от поверхности протонированная область уменьшала темновое сопротивление структур на порядок и более. Подобные слои используются для изоляции контактных площадок ПТШ от активной области транзистора и друг от друга.

Зависимости тока встречно-штыревого фотодетектора при освещении от длины волны приведены на рис. 5. Уменьшение фоточувствительности при нейтронном облучении связано с наличием потенциальной ямы для дырок в области КРД. Последнее приводит к захвату и быстрой рекомбинации дырок через дефектные уровни в окрестности кластера радиационных дефектов. Токовая спектроскопия (рис. 6) показала, что при нейтронном облучении происходит перестройка комплексов радиационных дефектов, созданных протонами (мелкие уровни в запрещенной зоне), в более крупные КРД. При этом фоточувствительность образцов для квантов с энергиями вблизи края фундаментального поглощения слабо зависела от дозы гамма-облучения до 105 Гр и флюенса

нейтронного облучения до 1014 ем'2. Подобные структуры с успехом применялись в качестве радиационно-стойких фотодетекторов. Продемонстрирована работоспособность и высокая радиационная стойкость ИС фотопереключателя на основе встречно-штыревой структуры и ПТШ, использующегося в качестве коммутирующего элемента.

i « t

750 800 850 900 950 Длина волны, нм

Рис. 5. Зависимости фототока i-GaAs встречно-штыревой структуры с обработанной протонами (30; 60; 90 юВ дозой 1,4-10|2см"2 для каяздой энергии) рабочей областью и облученного быстрыми нейтронами (<Еп> =1 МэВ) и гамма-квантами (<Еу> =1 МэВ)

е2 еэ е4 е5

1M,J)B t^MlB «¿-«.IlB «,7-Mi1

Д

Л: 3 :/ /V.

У • г j.— ' V

V 2 \ f г 4 i

i' \

\ /

V 1j»

D,» * 0.« f

во 160 240 320 т. к

Рис. 6. Спектры оптически индуцированной токовой спектроскопии фотосопротивлений после радиационного воздействия: исходные образцы - 1; доза гамма-квантов - 104Гр и флюенс нейтронов 1014 см"2 - 2; доза гамма-квантов 10* Гр - 3; доза гамма-квантов 102Гр и флюенс нейтронов 1013 см"2 - 4. Сверху указана глубина залегания и тип уровня в запрещенной зоне СаА$

Моделирование движения носителей заряда в субмикронных СаА$ полупроводниковых структурах при протонном, гамма и нейтронном воздействии

При сокращении длины рабочей области субмикронных полупроводниковых приборов до 50...500 нм существенными становятся эффекты баллистического и квазибаллистического движения электронов в сильно-неодородных электрических полях. В этом случае анализ радиационной стойкости предполагает использование двух- или трехмерного приближения и учета ряда новых эффектов, связанных с разогревом электронного газа при радиационном воздействии и рассеянием носителей на радиационных дефектах. Для анализа радиационного воздействия на субмикронные полупроводниковые приборы в диссертации был использован квазигидродинамический метод (КГМ) описания движения носителей заряда. Для определения изменения времён релаксации энергии и импульса, средней энергии и дрейфовой скорости электронов, других параметров полупроводникового материала при радиационном воздействии использовался метод Монте-Карло.

При усреднении по ансамблю электронов моделировались процессы бесстолкно-вительного движения электронов в коротких ваМ структурах, прерываемые рассеянием на фононах, ионах легирующей примеси и междолинными переходами. Для учета точечных дефектов вводился дополнительный механизм малоуглового рассеяния на ос-

нове потенциала взаимодействия Брукса-Херринга. Взаимодействие носителей заряда с СКРД рассматривалось как упругое рассеяние на включениях, окруженных областью пространственного заряда, с рандомизирующим угловым распределением. Размер блокирующей поток электронов области зависел от энергии налетающего электрона, согласно результатам расчета размеров СКРД.

По данным о средних расстояниях между субкластерами и среднем количестве субкластеров в каскаде столкновений оценивалась их концентрация. Также в диссертации использовалась экспериментальная оценка концентрации точечных дефектов N^ = Kl(Fn)-F„, где Npj - концентрация точечных дефектов; F„ - флюенс нейтронов. Коэффициент Kpj (F„) имеет величину около 50 см"1. Средняя концентрация субкластеров выбиралась на основе оригинальных экспериментальных данных, согласующихся с результатами измерений других авторов Ыл = KA(F,)-F,. где Ndr - концентрация разу-порядоченных областей. При флюенсах 10'4...10|6см"2 концентрация кластеров составляет см'3, так что коэффициент Kj/FJ ~ 0,2 см'1. Уточнение К^ и Kdr проводилось путем их варьирования так, чтобы вычисленное значение концентрации и подвижности электронов соответствовало экспериментальным данным и данным спектроскопии глубоких уровней. Для различных образцов и условий экспериментов значения коэффициентов колебались в пределах Х)*» 41...63 см"1 и Kdr* 0,16...0,24 см'1.

Кратко результаты моделирования электронного транспорта при радиационном воздействии сводятся к следующему. В случае рассеяния на точечных дефектах с ростом их концентрации длина дебаевского экранирования увеличивается, т.е. рассеяние остается малоугловым, но уменьшается среднее расстояние между рассеивающими центрами, что приводит к увеличению частоты рассеяния. Это отличие между рассеянием на радиационных дефектах и атомах ионизированной примеси (для которой частота рассеяния не меняется, а растет средний угол рассеяния) приводит к тому, что для одинаковой концентрации атомов примеси (Ю16 см"3) и точечных дефектов зависимости дрейфовой скорости и времени релаксации импульса отличаются на Ю...15%.

На рис. 7 и 8 представлены зависимости дрейфовой скорости, подвижности и времён релаксации энергии и импульса электронов в GaAs до и после облучения протонами. Несмотря на малоугловой характер рассеяния электронов на заряженных радиационных дефектах, значительное увеличение частоты рассеяния приводит к уменьшению длины свободного пробега и, как следствие, к падению подвижности и дрейфовой скорости. С другой стороны, уменьшение скорости набора энергии электронов вызывает уменьшение вероятности излучения оптических фононов и междолинных переходов, в результате чего время релаксации энергии увеличивается. Экспериментальные данные получены на основе анализа ВАХ ПТШ, облученных протонами (20...100 кэВ).

Исследовалось изменение всплеска дрейфовой скорости в субмикронных структурах. Влияние точечных дефектов на амплитуду всплеска уменьшается при увеличении напряженности электрического поля. Для полей менее 25 кВ/см в структурах длиной 250 нм присутствие точечных дефектов с концентрацией, сравнимой с концентра-

цией легирующей примеси, приводит к подавлению эффекта всплеска скорости. Для необлученных ваЛв структур указанный факт имеет место при длине образца выше 1000 им. Для полей порядка 100 кВ/см (рабочие поля в субмикронных ПТШ) эффект всплеска скорости проявляется даже при концентрациях дефектов в 2...5 раз выше, что обуславливает увеличение радиационной стойкости субмикронных ПТШ.

1.5 1,2

и

о 0,9 к о

х 0,6 >

0,3

о

_

/\ э» Г / 2 ■

V4 ^ )

иЛ3 у/ V й

1 '

-!--

4000

■3000

2000 г

■1000

10 Е, «В(см

15

20

/ / —- 1 " ч__ _1 /

V / ■ Л/

3-Л/ С ч. 81- и \\ ^Л. ч ¿.Ч А

0.2

0.1

0,2

0,4 УУ.эВ

0,6

0,8

Рис. 7. Зависимости дрейфовой скорости v

(-) в ваАя, подвижности ц (---) в СаАя

и (—) в от напряженности электрического поля для различной дозы протонов: Ор = 0 см"2 - 1; Др = 210м см"* - 2; Ор = 410м см"2 - 3. Значками отмечены: результат аналитической оценки - □; экспериментальные данные - Д. Концентрация примеси 610" см"3 в СаАв и 10,7см'3 в в!

Рис. 8. Зависимости времени релаксации

энергии г„ (-) в ваАз, импульса тг (---)

в ваАв и ( — ) в от средней энергии электронов для различной дозы протонов: />р = 0 см"2 - 1; Др = 210м см"2 - 2; Х>р » 41014 см"2 - 3; экспериментальные данные - А, □. Концентрация примеси 6-1017 см'3 в С>А8 и

Исследовалось влияние нейтронного облучения на электрофизические характеристики п-СаАв с различной концентрацией легирующей примеси: 1015 и 10|7см"3, что соответствует уровням легирования буферного слоя и канала полевого транзистора. Были рассчитаны (рис. 9) и экспериментально измерены зависимости подвижности и скорости в ОаАв от напряженности электрического поля, а также зависимости времен релаксации энергии и импульса от энергии электронов в необлученных и облученных нейтронами образцах.

Как и в случае протонного облучения, рассеяние на кластерах радиационных дефектов приводит к уменьшению времени релаксации импульса, подвижности и скорости электронов при энергиях электронов менее 0,4 эВ (рис. 9, 10). Благодаря рандоми-зирующему характеру рассеяния на разупорядоченных областях рассеянные назад электроны тормозятся электрическим полем. Этот процесс до некоторой степени аналогичен сбросу энергии при генерации оптического фонона, что компенсирует влияние точечных дефектов и обуславливает слабую чувствительность времени релаксации энергии к флюенсу нейтронного облучения.

Изменение времен релаксации энергии и импульса приводит к изменению заселенности долин. Наиболее сильно эти изменения сказываются на эффекте убегания

(рис.11). Увеличение времени релаксации энергии в диапазоне энергий электронов до 0.3 эВ даже при малых электрических полях 2...4 кВ/см приводит к возрастанию энергии электронов до тех пор, пока не начнется междолинное рассеяние. Чувствительность эффекта к наличию радиационных дефектов сказывается на увеличении (в 1,5 раза) напряженности электрического поля, соответствующей максимуму стационарной дрейфовой скорости электронов в облученном нейтронами материале (рис. 11).

5 10

Паче. «В/с«

Рис. 9. Зависимости дрейфовой скорости (—

) и подвижности (---) электронов в СаМ и

$1 от напряженности электрического поля: без облучения - 1 и 2; после облучения флюенсом нейтронов 1015 см"2 - 3 н 4. Концентрация легирующей примеси: 1015 см'3-1 и 3; 10" см"1-2 и 4. Экспериментальные данные - □, А, V, о, 0

0,2 0,4 Энергия, эВ

Рис. 10. Зависимости времени релаксации энергии г№ (- - -) и импульса тр (-) электронов от средней энергии электронов в GaAs и Si: без облучения - 1 и 2; после облучения флюенсом нейтронов 1015 см"2 - 3 и 4. Концентрация легирующей примеси: 10>5 см'3 - 1 и 3; Ю'^м"3 - 2 и 4. Экспериментальные данные - □, А, о, •

t. ПС

Рис. 11. Зависимости средней энергии электронов от продолжительности действия электрического поля [42]: необлученный ваАз - 1 и 3; ваАя облученный флюенсом нейтронов 1015 см'2 - 2 н 4; ваАв облученный дозой протонов 1013 см"2 - 5 и 6. Напряженность электрического поля: 3,2 кВ/см -1,2 и 5; 2 кВ/см — 3,4 и 6

Влияние ионизирующего излучения на перенос электронов в субмикронных структурах рассматривалось как в необлученных, так и в предварительно облученных нейтронами структурах. Расчет проводился для однородных структур длиной 100, 250, 500 и 1000 нм с концентрацией легирующей примеси 1014 см'3. На рис.12 приведены зависимости средней дрейфовой скорости и энергии электронов от напряженности электрического поля при гамма-облучении. При Е<4 кВ/см наблюдается двукратное увеличение энергии электронов при облучении, которое приводит к пятикратному увеличению заселенности Ь-долины (рис. 13). Средняя дрейфовая скорость электронов уменьшается с появлением неравновесных носителей. С одной стороны, это обусловлено уве-

личением населенности верхних долин, характеризующихся большей эффективной массой, а с другой стороны, уменьшением дрейфовой скорости в каждой из долин. Экспериментальные исследования дали хорошее совпадение теории и эксперимента.

Действие ионизирующего излучения на структуры с радиационными дефектами исследовалось в структуре длиной 100 нм. Генерация неравновесных носителей приводит к увеличению средней энергии электронов и повышению вероятности междолинного рассеяния. Рассеяние на дефектах, наоборот, сокращает время свободного пробега, уменьшает среднюю энергию, приобретаемую электронами за пробег, и увеличивает населенность в Г-долине. В результате присутствие радиационных дефектов увеличивает среднюю дрейфовую скорость в момент воздействия гамма-излучения в 2 и более раз в полях более 80 кВ/см (рис.14). Поскольку такие поля являются рабочими для субмикронных ПТШ, то данный результат важен для прогнозирования необратимых отказов из-за неконтролируемого увеличения тока в момент облучения.

10 100 Попе, кВ/см

М»

г 2 Г 3 IV

"I

гт+тт

Попе.кШса

50 100 150 Поле, кВ/сн

Рис. 12. Теоретические зависимости средних дрейфовой скорости ( — ) и энергии электронов (- - -) от напряженности электрического поля в отсутствие излучения и при облучении потоком гамма-квантов в структуре длиной 100 нм

Рис. 13. Зависимости распределения горячих злектронов по Г, Ь - долинам зоны проводимости С>А! структуры длиной 100 нм от напряженности электрического поля при облучении потоком гамм-кван юв: 0 Гр/с — 1; 5-10' Гр/с - 2; 10" Гр/с-3

Рис. 14. Зависимости средней дрейфовой скорости электронов (длина структуры 100 нм) от напряженности электрического поля до (-) н после (- - -) облучения нейтронами (2-1013 см'2) в отсутствие гамма-излучения и при облучении гамма-квантами

Строгий переход к квазигидродинамическому приближению возможен лишь при максвелловском распределении электронов по энергии. Как показывают расчеты, в ОаАв как до, так и после нейтронного облучения распределение электронов по энергии в Ь и X долинах максвелловское, а в Г-долине отличается от максвелловского только в больших полях, когда заселенность этой долины мала. При моделировании гамма-облучения расчеты функции распределения электронов по энергии проводились для структуры длиной 100 нм и напряженности поля 20 кВ/см, при которой достигалось максимальное значение дрейфовой скорости электронов в структуре. При увеличении мощности дозы от 5-109 до 5-Ю10 Гр/с доля концентрации «горячих» электронов увели-

чивается от 8,5 до 85% концентрации равновесных электронов. В целом, при гамма-облучении вид функции распределения остается близким к максвелловскому.

Основными уравнениями, определяющими перенос носителей заряда в квазигидродинамическом приближении, являются: уравнения Пуассона, непрерывности, баланса энергии и импульса носителей заряда, а также выражения для плотности тока и потока энергии электронов:

а (1)

Л = -Я''*/7, ) + <?Ч£>(Я>(^)); ]„ = )И,и(Г,)+)п(Р, )»Р);

, дЕ

где V- потенциал; п - концентрация электронов; Ы+. М- концентрации положительно и отрицательно заряженных ионов (доноров, акцепторов, радиационных дефектов);/, / -плотность электронного и полного тока; - плотность потока энергии электронов; (Р. №0 - неравновесная и равновесная энергия электрона соответственно; время релаксации энергии; гр - время релаксации импульса; т - эффективная масса электрона; О - коэффициент диффузии электронов; V - дрейфовая скорость электронов; Е - напряженность электрического поля; г; - диэлектрическая проницаемость; Я-,, - флюенс нейтронов; <7 - абсолютная величина заряда электрона; в - коэффициент генерации носителей заряда при воздействии излучения (учитывается только в момент действия ИИ); Я - коэффициент рекомбинации (учитывается только в момент и непосредственно после действия ИИ); Wc - средняя энергия генерируемого электрона (учитывается только в момент действия ИИ).

Процессы нелокального разогрева электронного газа в резко неоднородных электрических полях, возникающие в канале субмикронных полевых транзисторов при радиационном воздействии, определяют скорость разгона и торможения электронов при их движении вдоль канала транзистора. Эти процессы учитываются корректно благодаря введению в квазигидродинамическую модель уравнений баланса энергии и импульса, коэффициенты которых зависят от радиационного воздействия.

При моделировании процессов ионизации, связанных с рождением электронно-дырочных пар, количество уравнений в системе (1) необходимо увеличить, добавив аналогичные выражения для плотности тока дырок и потока энергии, а также уравнение непрерывности для дырочной компоненты тока. Поскольку подвижность дырок в ОаАз на порядок меньше, чем у электронов, а концентрация дырок сравнивается с концентрацией электронов в канале транзистора только при мощностях дозы выше 10" Гр/с, то учет процессов всплеска скорости и иных особенностей нестационарного и нелокального изменения энергии дырок в меньшей степени сказывается на результатах расчета параметров транзисторов. Тем не менее, при расчете распределения электрическо-

го поля в канале ПТШ в момент действия гамма-излучения заряд дырок, также, как и процессы рекомбинации, учитывался.

Несмотря на то, что в ПТШ изоляция затвора осуществляется с помощью барьера Шотгки, диэлектрические слои используются для пассивации открытой поверхности СаАв. Результаты экспериментов показали, что накопление заряда в диэлектрических слоях может изменять ВАХ транзисторов на величину 5—10%, что объясняется высоким уровнем легирования канала исследуемых субмикронных транзисторов. Для полноты описания процессов в транзисторе в модель был включен механизм, учитывающий накопление заряда на поверхности ОаАв. Путем введения дополнительного заряда в граничные узлы расчетной сетки удавалось моделировать приповерхностный изгиб зон, т.е. увеличение проводимости канала ПТШ.

На рис. 15 приведены результаты расчета зависимости скорости электронов от координаты, полученные с помощью метода Монте-Карло, в квазигидродинамическом и локально-полевом приближениях. Сопоставлены зависимости для необлученного и облученного нейтронами ОаАв в случае трех различных распределений электрического поля от координаты. Для удобства сравнения вид модельной функции, описывающей зависимость напряженности электрического поля от координаты, был выбран одинаковым. Это функция, описывающая распределение Гаусса. Амплитуда поля во всех случаях равнялась 90 кВ/см, а параметры, описывающие в распределении Гаусса среднее значение и дисперсию, масштабировались и равнялись соответственно 102, 103,10" нм.

Рис. 15. Зависимости скорости электронов от координаты, рассчитанные для ко-локолообразного распределения напряженности электрического поля: в локально-полевом приближении - ЛП; в квазигидродинамическом приближении - КГ; усеченном квазигндродинамическом приближении (т.е. без учета уравнения баланса энергии); методом Монте-Карло - МК. Без нейтронного облучения - ЛП, КГ, КГУ и МК; после нейтронного облучения - КГ(Рп) и МК(Рп)

Для длин более 10 мкм при напряженности поля 90 кВ/см зависимость скорости от координаты, определяемая по локально-полевой модели, становится близкой к точным результатам, полученным методом Монте-Карло. При уменьшении напряженности поля до значений менее 20 кВ/см, которое реализуется в ПТШ с длиной канала более

2...3 мкм при традиционном питании- 5 В, результаты расчета по локально-полевой модели коррелируют с расчетами по методу Монте-Карло при длинах канала более 3 мкм. Квазигидродинамическое приближение корректно описывает процессы для всех представленных длин и флюенсов нейтронного облучения, а «усеченная квазигидродинамика» при длинах затвора более 1 мкм.

Теоретические и экспериментальные исследования радиационных эффектов в СаАв субмикронных полевых транзисторах с затвором Шоттки

С целью оценки уровней стойкости субмикронных полевых транзисторов в диссертации проведено экспериментальное и теоретическое исследование процессов в субмикронных полевых транзисторах с затвором Шоттки при радиационном облучении. С целью выбора оптимальной математической модели определялся предел применимости локально-полевой и квазигидродинамической моделей. Были проведены исследования влияния нейтронного облучения на характеристики п-СаАв транзисторов с длинной затвора 10 мкм; 5 мкм; 1,5 мкм; 0,75 мкм; 0,5 мкм; 0,25 мкм; 30 нм (рис. 16). В последнем случае длина канала транзистора определяется величиной области пространственного заряда затвора и в зависимости от напряжений на затворе и стоке имеет величину 50... 150 нм. Измерялись ток насыщения, выходная мощность и коэффициент усиления ПТШ на рабочих частотах (см. таблицу). Показано, что локально-полевая модель адекватно описывает процессы в транзисторах с длиной затвора более 1 ...2 мкм.

Рис. 16. Микрофотоснимок поперечного сечения полевого транзистора с У-канавкой в области затвора (У-ПТШ), полученный на РЭМ .ХЕОЬ (ИФМ РАН). Уровни легирования слоев СаА$: п' буфер -1014 см"3, п канал - 6-Ю17 см"3; 11+ -контактный слой - 10" см"3. Металлизация затвора - Аи с подслоем из АУ. Радиус закругления острия У-затвора -15 нм

Для апробации квазигидродинамической модели проводилось сравнение результатов расчета деградации характеристик ПТШ при нейтронном облучении (см. табл. 1) с учетом зависимости времён релаксации энергии и импульса от флюенса нейтронного воздействия и без учета этого эффекта. Отклонение рассчитанных от экспериментально измеренных В АХ ПТШ до облучения составляло не более 10%. Отклонение рассчитанных от измеренных ВАХ после облучения составляло более 60% для модели без учета деградации времён релаксации и менее 20% при учете (приведено в табл. 1). Кроме этого экспериментально измерялись зависимости тока стока транзистора {Lg = ЗОнм) при облучении импульсом гамма-излучения на установке ИГУР. Показано, что теоретически рассчитанные и экспериментально измеренные зависимости отличаются на 20%.

Исследовалась отрицательная дифференциальная проводимость (ОДП) нормально закрытого квазибаллистического V-ПТШ. При положительных смещениях 0...0.2 В на затворе и 0,5...1,5 В на стоке, соответствующих ОДП транзистора, наблюдалась генерация на частотах 32...38 ГГц. Разброс частоты генерации транзисторов, изготовленных на одной полупроводниковой структуре, составлял около 1 ГГц при ширине полосы генерируемого сигнала 20 МГц. Мощность сигнала достигала 1 мВт на 1 мм ширины затвора, а его амплитуда имела максимум при напряжении на стоке 0,7 В и уменьшалась в два-три раза при изменении напряжения до 0,5 В (или до 1,5 В). Эффективность электронной перестройки частоты при изменении напряжения стока -1 ГГц/В.

Таблица 1. Экспериментально измеренные характеристики ПТШ (в скобках указаны рассчитанные по квазигидродинамической модели значения)

Длина канала, мкм / Ширина затвора, мкм Флюенс нейтронов, х 1015 н/см2 Рабочая частота, ГТц / Предельная частота усиления, ГТц Расчетное значение концентрации носителей заряда в канале ПТШ до и после облучения", х 1017см"3 Ток насыщения до и после облучения, мА Коэффициент усиления по мощности на рабочей частоте до и после облучения, дБ Выходная мощность на рабочей частоте до и после облучения, мВт

0,75/ 0,5 7/18 1,5 /1,2 1800(1950)/ 7,5(8)/ 1200(1250)/

4800 1380(1450) 4,8(5) 850 (820)

0,5/ 1,4 12/29 1,9/1,5 250(270)/ 8(8,9)/ 250 (280)/

600 160(200) 5,4(5,5) 140(150)

0,25/ 3 37/ 70 1,6/1,2 15(17)/ 8(9,1)/ 5(5,6)/

100 9(8,2) 4,5 (5,4) 3,1 (4)

0,1" / 5 60/100 0,9/0,7 5(5,4)/ 5(6,2)/ 1(1,1)/

25 3,3 (3,1) 2,8(3,2) 0,65 (0,6)

Высокочастотные характеристики прибора при воздействии ионизирующего излучения исследовались с помощью светодиода (40 мВт, 0,85 мкм), размещенного в измерительном стенде. При освещении коэффициент усиления по мощности увеличивался на 0,1...0,3 дБ, что объяснялось лучшим согласованием У-ПТШ с измерительной системой. Ширина полосы генерируемого сигнала слабо зависела от мощности излучения, а частота генерации уменьшалась при освещении на 20...30 МГц. При напряжении 0,5 В зафиксирован режим включения генерации с помощью освещения.

После облучения У-ПТШ нейтронами (<Е>=1 МэВ) приборы делились на две неравные группы. В первой группе (80...90% испытанных образцов) наблюдалось дву-

кратное уменьшение крутизны и коэффициента усиления транзистора в 1,5-3 раза при флюенсах 5-Ю15 см"2. После нейтронного облучения флюенсом 1015 см"2 характеристики генерируемого сигнала остались без изменений, а при флюенсе 5-1015 см'2 амплитуда генерируемого сигнала уменьшилась на 60 %. Во второй группе (10...15 % испытанных образцов) наблюдалось улучшение высокочастотных параметров транзистора в 1,3... 1,5 раза.

Причины возникновения ОДП и высокочастотной генерации исследовались с помощью двумерной квазигидродинамической модели. Показано, что генерация связана с междолинными переходами и объясняется уменьшением длины баллистического пролета электронов при увеличении продольного электрического поля в канале V-ПТШ. Последнее приводит к уменьшению средней скорости электронов и тока стока в целом при увеличении напряжения на стоке. Размер образца, где возможна реализация междолинных переходов, определяется отношением скорости электронов к частоте междолинных переходов. Для электронов в ОаАв по порядку величины он сравним с длиной канала У-ПТШ (50... 100 нм). Поскольку проводимость приконтактной п+ области изменяет свое сопротивление при флюенсах нейтронов порядка 1016см'2, а сам процесс междолинного перехода не чувствителен к облучению до.флюенсов 3...5-1015 см'2, то радиационная стойкость генератора на основе У-ПТШ значительно выше, чем классического диода Ганна. Это обосновано с помощью квазигидродинамической модели.

Проведено экспериментальное и теоретическое исследование высокочастотных шумов в У-ПТШ при радиационном воздействии. Для экспериментов из имевшегося набора транзисторов были выбраны приборы с оптимальной шириной затвора для каждого из частотных диапазонов: 200 мкм (входная емкость затвор-исток Сзи=0,15 пФ) -для 12 ГГц, 100 - мкм (См=0,08 пФ) для 37 ГГц, 50 мкм (С„=0,05 пФ) - для 60 ГТц. Ток насыщения транзисторов составлял около 7 мА (при ширине затвора 50 мкм). Крутизна более 450 мСм/мм. Области напряжений на затворе и стоке, при которых возникали генерация и усиление транзистора, не перекрывались. Минимальный коэффициент шума зарегистрирован в нормально закрытых транзисторах при подаче на затвор постоянного смещения +0,1...0,3 В. Моделирование показало, что это объясняется возникновением виртуального инжектора в области истока при подаче питания. На рис. 17 изображено дно зонной диаграммы в активной области ПТШ и выделена область инжекции, поставляющая высоко энергичные электроны в канал транзистора. Смыкание потенциального барьера, образованного контактом Шоттки, и потенциального барьера канал-буферный слой образует характерную седлообразную структуру инжектора. Форма инжектора определяется профилем распределения легирующей примеси и напряжением, поданным на контакты стока и затвора, что позволяет управлять током транзистора.

Электроны влетают в инжектор со случайным направлением вектора скорости и при пролете по нему упруго отражаются от стенок. В результате действия продольного поля изменяется угловое распределение вылетающих из инжектора электронов так, что максимум распределения совпадает с осью инжектора, а угол вброса электронов в область канала составляет 50...60" к границе раздела буферный слой-канал.

Рис. 17. Положение дна зоны проводимости в активной области ПТШ с У-образной канавкой: х - координата вдоль канала транзистора; у - координата от поверхности вглубь структуры

На рис. 18 представлены зависимости средней энергии электронов от координаты для оптимальной и неоптимальной траекторий движения электронов. Поскольку на сток транзистора подается напряжение 2...3 В, то длина канала (определяемая ОПЗ затвора) составляет 0,15...0,2 мкм. Максимум энергии электронного газа приходится на стоковый край затвора, что объясняется максимальным электрическим полем в этой области. При облучении потоком гамма-квантов происходит разогрев электронного газа.

Координата максимума междолинного рассеяния (рис. 19 и 20) в отсутствие облучения совпадает с координатой максимума зависимости энергии от расстояния. В области 0,2...0,4 мкм возможны междолинные переходы, которые приводят к образованию статического домена. При облучении структуры потоком гамма-квантов домен смешается на 70 ... 90 нм ближе к истоку. Это происходит вследствие перестройки распределения электронов при генерации неравновесных носителей. Увеличение энергии электронов в области инжектора приводит к уменьшению интенсивности примесного рассеяния в области с координатами 0...0,15 мкм. Частота рассеяния на примесях существенно зависит от долины, в которой находится рассеиваемый электрон, что обуславливает возрастание интенсивности примесного рассеяния в области статического домена.

Описанные процессы при мощности дозы 109 Гр/с приводят к ухудшению коэффициента шума (Я) приблизительно в 1,5 раза при учете разогрева электронного газа и практически не изменяют Г без учета разогрева (т.е. при учете только изменения концентрации носителей заряда). Это объясняется тем, что У-параметры ПТШ начинают существенно изменяться только тогда, когда ионизованные электроны вносят существенный вклад в проводимость канала, т.е. при мощности дозы более 10® Гр/с. В то же время ответственная за шумы дисперсия тока стока начинает меняться раньше из-за того, что средняя энергия электронного газа выше, чем до облучения.

С помощью квазигидродинамической модели проведено исследование процессов восстановления высокочастотных характеристик ПТШ после воздействия гамма- и нейтронного импульса (быстрый отжиг). Опираясь на результаты экспериментальных ис-

следований зависимости концентрации глубоких уровней от времени после импульсного радиационного облучения, показано, что характеристики ПТШ восстанавливаются в течение 3...30 мс после импульса нейтронного облучения флюенсом 1014... 1015см'2 и в течение 10...50 мкс после импульса гамма-облучения мощностью дозы 10|0...Ю" Гр/с.

ОГр/с^-—10* Гр/с 5 -о Гр/с ----10®. Гр/с

ОД 0,4

X, мкм

0,1 ОД 0,3 0,4 X, мкм

0,1 0^2 0,3 0,4 мкм

Рис. 18. Зависимости средней энергии электронов от координаты в У-ПТШ при гамма-облучении: неоптимальная траектория движения - 1; оптимальная - 2. Обозначения: энергия междолинного перехода - \Vi _l; энергия оптического фонона - \Уф

Рис. 19. Зависимости ии-тенсивностей рассеяния от координаты вдоль оптимальной траектории движения электронов в V-ПТШ при гамма-облучении: междолинное рассеяние - 1; рассеяние на примесях - 2; оптическое рассеяние - 3

Рис. 20. Зависимости интен-сивностей рассеяния от координаты вдоль неоптимальной траектории движения электронов в У-ПТШ при гамма-облучении: междолинное рассеяние — 1; рассеяние на примесях - 2; оптическое рассеяние - 3

Неравновесные процессы на границах раздела металл-полупроводник в субмикронных СаАв полевых транзисторах с затвором Шоттки

Важным аспектом проблемы моделирования радиационной стойкости является много-слойность полупроводниковых структур, используемых в современных субмикронных приборах. Наиболее сильно влияние радиации проявляется в структурах, где электроны движутся вдоль границ раздела, так как любая модификация последней сказывается на всем пути движения электронов. Сочетание материалов с различными плотностями и атомными весами приводит к дисбалансу в поглощении излучения на границе. Если раньше это касалось лишь процесса ионизации в областях, примыкающих к границам раздела (эффект усиления мощности дозы), то сейчас в структурах с толщинами слоев порядка 10 нм и границами раздела порядка 1 им следует учитывать неравновесность при дефектообразовании (эффект усиления флюенса). В диссертации исследовано влияние эффекта усиления мощности дозы и флюенса на радиационную стойкость квазибаллистического ПТШ с длиной канала 0,01 ...0,1 мкм.

Теоретически и экспериментально проведено сравнение процессов в ПТШ с А1 и Аи затвором длиной 0,25 мкм при гамма-облучении. Теоретически рассчитаны коэффициенты усиления и шума ПТШ при гамма-облучении. Показано, что эффект усиления мощности дозы снижает радиационную стойкость транзистора с Аи затвором в 2...3 раза. Нейтронное облучение многослойных композиций индуцирует вброс более тяжелых атомов из соседних слоев и

вызывает в полупроводнике проявление эффекта усиления флюенса нейтронного облучения. Для расчета количества вылетевших атомов из более плотного материала в менее плотный учитывалась концентрация атомов вещества и отношение сечений взаимодействия быстрых нейтронов с атомами Аи и йа (Аз) (от 2 до 4 в зависимости от энергии нейтрона). Благодаря различию длин пробега вылетевших из соседнего материала атомов, на границах раздела может наблюдаться как увеличение концентрации дефектов, так и их уменьшение. Существенные изменения концентрации дефектов наблюдаются на расстояниях менее 100 нм от границы раздела (рис. 21), а величина концентрации дефектов, по сравнению с реализующейся в глубине материала, может изменяться в несколько раз.

Аи-ваЛв

25 50 75 Глубина, им

Рис. 21. Распределения концентрации радиационных дефектов по глубине СаА$ слоя при облучении нейтронами спектра деления двухслойных композиций типа материал-СаАв

При нейтронном облучении многослойных композиций наблюдается обратное рассеяние вторичных атомов и каналирование атомов в слоях более легких материалов. Последнее приводит к изменению пространственного распределения дефектов и способствует некоторому увеличению концентрации дефектов в слоях легких материалов, например, в подслое Л и прилегающем слое ваАв затворной композиции Аи-ТМЗаАБ.

Исследовано возникновение кластеров радиационных дефектов в канале У-ПТШ на границе с Аи затвором. Благодаря внедрению смещенных нейтронами атомов золота из затвора в прилегающий слой СаАв в канале транзистора образуется повышенная концентрация КРД. Размер ОПЗ кластеров будет определяться уровнем легирования полупроводника, прилегающего к металлу. Поскольку радиус закругления острия затвора (10...15 нм) сопоставим с размерами КРД, то возникает ситуация, когда плотные КРД образуют в канале транзистора упорядоченную цепочку под острием затвора поперек линий тока электронов. Поэтому в структурах У-ПТШ при их облучении нейтронным потоком может наблюдаться процесс самосогласованного образования прозрачных для электронов отверстий между КРД.

Возникновение отверстий в канале транзистора приводит к пространственному перераспределению плотности тока. Поскольку инжекция электронов в канал достигается за счет уменьшения барьера инжектора продольным полем канала, то вброс электронов будет автоматически происходить напротив квантово-размерных отверстий, т.е. там, где продольное поле канала не блокировано областью КРД. Поэтому распределение тока в канале ПТШ станет трехмерным, а вероятность баллистического пролета

электрона через отверстие возрастет. Разброс в размере отверстий, их сопротивлении, а значит, и количестве вбрасываемых в отверстие электронов будет определять величину изменений параметров ПТШ.

Расчеты концентрации точечных дефектов, средних расстояний между КРД и диаметра ОПЗ кластеров показали, что при флюенсах нейтронов более 3-1015см"2 реализуется ситуация, когда среднее расстояние между СКРД будут сопоставимы с длиной волны электронов, что приведет к образованию в канале У-ПТШ специфической структуры, улучшающей работу транзистора (рис. 22). Глубина, на которой проявляется эффект, составляет около 50 нм.

Улучшение параметров ПТШ возможно за счет охвата токопроводящих отверстий управляющим полем затвора со всех сторон, аналогичного процессам в ПТШ с гофрированным затвором. Поскольку размеры отверстий имеют величину порядка длины волны электрона, то в некоторых из них, при определенных напряжениях смещения затвора, происходит квантово-размерное движение носителей заряда, которое, в отдельных случаях, увеличивает крутизну транзистора. Согласно расчетам, наличие отверстий приводит к увеличению крутизны транзистора в 1,5...2 раза и более.

Экспериментально зафиксировано, что после облучения нейтронами крутизна ВАХ некоторых У-ПТШ увеличивалась, что приводило к увеличению коэффициента усиления транзистора. В отличие от нейтронного, при протонном облучении структуры радиационные дефекты не образуют квантово-размерных отверстий, и характеристики транзистора монотонно уменьшаются с набором флюенса.

Рис. 22. Распределение дефектов по глубине в структуре Аи-Ть-СаА$ при инжекции ионов Аи с энергией 100 кэВ в СаА!, полученное с помощью расчета методом Монте-Карло. Вид на затвор и сечение канала с радиационными дефектами со стороны истока. Значком в указано направление движения электронов в сторону стока через нано-размерные отверстия между КРД (указаны пунктиром). Запрещенные для движения электронов области пространственного заряда затвора и буферного слоя указаны штрих-пунктиром

Анализ изменения параметров всего набора исследуемых ПТШ с различной длиной затвора показал, что при уменьшении длины канала до значений порядка размеров КРД при облучении наблюдается существенное увеличение дисперсии параметров приборов так, что в отдельных случаях (при малых длинах канала) эти параметры могут улучшиться. Подобная зависимость объясняется существенными неоднородностями в распределении дефектов в ПТШ с малыми объемами рабочей области.

Исследовалось проявление эффекта усиления флюенса в малошумящем полевом транзисторе на основе гетероструктуры СаАз/АЮаАэ с широкозонным буферным слоем. Разработана гетеросгруктура ОаАв/АЮаАв с модулированным легированием для

полевого транзистора с барьером Шотпси. Изготовленный на ее базе V-образный ПТШ имел исключительно высокие рабочие характеристики для прибора с легированным каналом. Крутизна выходной характеристики достигала 550 мСм/мм, а его высокочастотные характеристики сравнимы с характеристиками НЕМТ приборов. Теоретически показано, что проявление эффекта самосогласованного введения КРД в канал такого транзистора приведет к улучшению его характеристик, причем за счет изоляции буферного слоя энергетическим барьером улучшение характеристик транзистора будет более значительным, чем в V-ПТШ на обычной гомоструктуре.

Исследована нанометровая модификация субмикронных GaAs структур методом электродинамической локализации оптического излучения. Традиционный путь уменьшения размеров элементов вплоть до нанометров, основанный на использовании обычных оптических принципов, требует соответствующего уменьшения длины волны излучения, чтобы она оставалась меньше размеров модифицируемого объекта. Для на-нометровых объектов такой подход означает переход к рентгеновским длинам волн, что сопряжено с большими техническими трудностями и затратами. С другой стороны, известно, что использование электромагнитного излучения на низких частотах, например, 50 Гц, почти всегда происходит в областях много меньше длины волны. При этом для описания происходящих здесь процессов используются не оптические принципы, а классический электродинамический подход. Для локализации мощности применяются протяженные металлические объекты, один из размеров которых меньше длины волны (например, провод, экран и т.д.). Единство природы электромагнитного и оптического излучения предполагает, что электродинамические принципы локализации переменного поля применимы и в оптическом диапазоне. В диссертации предложено использовать электродинамический способ локализации оптического излучения в областях, существенно меньших длины волны, аналогичный тому, который реализуется с помощью антенн. Применение подобного подхода позволило модифицировать свойства вещества в манометровых областях с помощью лазерного излучения с длиной волны, существенно превышающей размеры модифицируемой области, что весьма актуально для изготовления полупроводниковых приборов наноэлектроники.

Транзисторы с длиной затвора больше и порядка длины волны излучения. Исследование действия лазерного облучения (с энергией квантов меньше ширины запрещенной зоны GaAs) на ПТ с длиной затвора от 10 до 0,5 мкм при облучении структуры с лицевой и обратной стороны показало, что изменение характеристик приборов подобно друг другу. Это объясняется малым поглощением излучения в GaAs и плавной структурой оптического поля, которое меняется на масштабах, сравнимых с длиной волны. Теоретически оцененная средняя температура импульсного разогрева канала составляла 200...300 °С. Изменение характеристик связано с генерацией и термостимулированной диффузией атомов в области канала ПТ, а также захватом электронов на ловушки, возникшие при лазерном облучении. Зависимость скорости изменения характеристик транзисторов от мощности излучения имеет пороговый характер. При уменьшении мощности излучения до 2 мДж за импульс характеристики ПТ не изменялись.

Транзисторы с эффективной длиной затвора меньше длины волны. При лазерном облучении ПТ с У-образным затвором с лицевой стороны изменение параметров подобно длиноканальным транзисторам. Облучение с обратной стороны за счет дифракции излучения на клиновидном затворе и локализации выделявшейся энергии в области канала транзистора приводило к качественно иной модификации структуры. Как показал анализ вольт-амперных и вольт-фарадных характеристик, область повышенного энерговыделения была сосредоточена около острия затвора, а ее размеры 0,1 мкм) были существенно меньше длины волны лазерного излучения (1,06 мкм). Средняя температура разогрева канала, вычисленная по экспериментальным значениям току стока и затвора транзистора в момент облучения, имела величину 100...400 "С, причем величина температуры разогрева слабо влияла на интенсивность проявления эффекта. В ПТ с областью ОДП на ВАХ в зависимости от степени модификации структуры наблюдалось полное или частичное подавление процесса генерации. Подобный эффект положительный, так как позволяет повысить стабильность усиления транзистора. Транзисторы с эффективной длиной затвора меньше длины волны излучения, предварительно подвергнутые нейтронному облучению (3...6-1015 см'2). После нейтронного облучения ПТ с У-образным затвором сохраняли усилительные, и генераторные способности, но абсолютные значения параметров изменялись, как это показано выше. После модификации структуры транзисторов однократным импульсом лазерного излучения, в них была полностью подавлена отрицательная дифференциальная проводимость, хотя усилительные свойства сохранялись (на несколько худшем уровне, чем до лазерного облучения). Облучение транзисторов однократным лазерным импульсом с уменьшенной на 80—90% мощностью приводило к увеличению тока стока транзистора при сохранении генерации, что было расценено как модификация отверстий между КРД.

Влияние радиационных технологических процессов на радиационную стойкость СаА& субмикронных полевых транзисторов

Для повышения радиационной стойкости и высокочастотных свойств субмикронных ПТШ в диссертации предложено использовать радиационные технологические процессы: магнетронное напыление затвора с последующим облучением транзистора локальным электронным пучком и ионно-лучевое дальнодействующее гетгерирование. Показано, что использование магнетронного напыления металлизации барьера позволяет улучшить характеристики субмикронных ПТШ, в том числе и его радиационную стойкость, путем модификации границы раздела металл-полупроводник в слое порядка 2...5 нм, приводящей к изменению ВАХ затвор-исток и затвор-сток и уменьшению нелинейных искажений прибора. Экспериментально и теоретически исследовано влияние облучения пучком электронов зазора между затвором и стоком мощного субмикронного ПТШ на его высокочастотные характеристики и радиационную стойкость. На основании результатов исследования распределения микроплазм по анализу картины электролюминесценции в видимом диапазоне показано, что благодаря более равномерному

распределению тока в канале транзистора и изменению напряжения пробоя улучшаются как высокочастотные характеристики транзистора, так и его радиационная стойкость. Теоретические расчеты подтверждаются экспериментом.

Проведен краткий анализ результатов экспериментальных исследований процессов старения ПТШ. Рассмотрены процессы выгорания транзисторов, внезапные отказы, постепенная деградация параметров, исследовано влияние поверхности канала на параметры ПТШ, а также влияние подложки и буферного слоя на временную стабильность ПТШ. Показано, что пути повышения стабильности субмикронных ПТШ и интегральных схем на их основе совпадают с требованиями по повышению радиационной стойкости приборов.

Исследовано повышение радиационной стойкости субмикронных полевых транзисторов при дальнодействующем ионно-лучевом геттерировании. Показано, что в результате операции дальнодействующего ионно-лучевого геттерирования (ионами аргона и водорода) за счет перестройки и рекомбинации дефектов на границах раздела полупроводниковых слоев в области канала характеристики транзисторов улучшаются. Зарегистрировано укручение профиля распределения легирующей примеси и увеличение подвижности электронов (рис. 23), которые привели к 10...30 % увеличению крутизны транзистора. Отмечено уменьшение разброса напряжений пробоя исток-затвор и затвор-сток, что позволило поднять процент выхода годных приборов. Анализ карт распределения параметров транзисторов по площади пластины выявил оптимальное сочетание типов гетгерирующих ионов. Наибольший положительный эффект проявлялся при облучении аргоном, меньший эффект - при комплексном облучении аргоном и водородом, а облучение водородом приводило к отрицательному эффекту ухудшения параметров приборов. Влияние комплексного воздействия объяснено с точки зрения перестройки КРД при последовательном облучении ионами различных масс.

В диссертации проведено сопоставление влияния ионно-лучевого и лазерного излучения (1,06 мкм, 30 мДж в импульсе длительностью 10 не), генерирующих упругие волны, на характеристики СаАа полевых транзисторов с затвором Шотгки (ПТШ). Идентичность процессов дальнодействующего геттерирования при ионном и лазерном облучении структур показывает, что изменение параметров структур вызвано генерацией упругих волн, возникающих на обратной, подложечной стороне структуры и распространяющихся через подложку к приборной стороне.

Исследована радиационная стойкость ваЛв полевых транзисторов с затвором Шотгки после ионно-лучевого геттерирования. Характер наблюдавшихся изменений параметров структур при ионно-лучевом геттерировании показывает, что в результате -ионного облучения снижается концентрация кристаллографических дефектов, негативно влияющих на подвижность и концентрацию носителей заряда в приборных слоях транзисторных композиций. Полученные результаты свидетельствуют о том, что предварительное облучение ионами ускоряет релаксационную перестройку компонентов примесно-дефектного состава каждого из образующих транзисторную структуру слоев и приграничных областей между ними. Одним из следствий этого является снижение

концентрации ответственных за возникновение глубоких уровней при воздействии нейтронов фоновых примесей и антиструктурных дефектов. Показано, что радиационная стойкость субмикронных ПТШ, прошедших процедуру ионно-лучевого гетгерирования, повышается в 2 и более раз как по статическим (крутизна), так и по высокочастотным (коэффициент усиления) параметрам (рис.24).

10

I 0.1

0,01

2' \>2

4800

4400

4000

С

3600

0,2

0,05 0,1 0,15 Глубина, мкм Рис. 23. Усредненные по 30 измерениям профили распределения по глубине: подвижности - 1 в 1'; концентрации электронов - 2 и 2'; до геттерировання - 1 и 2; после гетгерирования 1' и 2'

6,0

4,5

[й

ч

£ 3,0

V

0.0

И

\ Ч

г 2 N

\

О 2,5 5 7,6 10 Гп, х1015 н/см2

Рис. 24. Усредненные по 15 образцам зависимости коэффициента усиления по мощности ПТШ от флюенса нейтронного облучения: не геттерированные - 1; предварительно гетгерированные - 2

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основным научным результатом диссертации является создание расчетно-экспериментальных методов моделирования воздействия нейтронного, протонного и гамма-излучения на субмикронные (вплоть до 0,05...0,1 мкм) ОаАя полупроводниковые приборы, что позволило решить важную хозяйственную задачу определения и обеспечения радиационной стойкости перспективной элементной базы устройств связи и систем управления объектов специального назначения (в том числе военной техники^ при улучшении технико-экономических и эксплуатационных характеристик.

Основным теоретическим результатом диссертации является создание расчетно-экспериментальных методов моделирования воздействия нейтронного, протонного и гамма-излучений на субмикронные (вплоть до 0,05—0,1 мкм) полупроводниковые приборы с использованием комплексной модели, позволяющей: 1) анализировать процессы образования и стабилизации кластеров радиационных дефектов и точечных дефектов, ионизации в многослойных (с нанометровой толщиной слоев) твердотельных структурах; 2) моделировать процессы квазибаллистического транспорта электронов в субмикронных структурах с радиационными дефектами и рассчитывать параметры полупроводниковых материалов; 3) учитывать неоднородности энерговыделения при поглощении радиационного излучения, приводящие к неравновесным эффектам на границах на-нометровых слоев твердотельных структур приборов; 4) рассчитывать статические и высокочастотные характеристики субмикронных полупроводниковых приборов при ра-

диационном воздействии, включая нестационарные процессы в момент и непосредственно после радиационного импульса.

Частные теоретические результаты, полученные по теме диссертации: I. Определены доминирующие механизмы деградации электрофизических параметров субмикронных арсенидгаллиевых структур при радиационном воздействии. Показано, что благодаря высокой средней энергии электроны могут проникать между отдельными частями (субкластерами) кластеров радиационных дефектов. В результате расчетов методом Монте-Карло и дополнительного обобщения экспериментальных данных (известных из литературы и оригинальных) получены характерные размеры кластеров радиационных дефектов в Si и GaAs, их распределение в пространстве и форма, рассчитаны характерные размеры областей пространственного заряда. Анализ процессов стабилизации КРД выявил порог образования стабильного субкластера в КРД. Показано, что КРД состоит из плотных субкластеров с характерными размерами 4...15 нм, а расстояние между ними имеет величину 3...20 нм. Последнее обуславливает проникновение горячих электронов между субкластерами в КРД, что приводит к преобладанию этого эффекта в квазибаллистическом ПТШ над механизмами, доминирующими в приборах с микронными топологическими нормами (изменение концентрации и подвижности электронов).

2. На основе метода Монте-Карло разработана модель транспорта носителей заряда в субмикронных полупроводниковых структурах, содержащих радиационные дефекты различных размеров (от точечных до нанометровых непрозрачных включений кластеров радиационных дефектов) учитывающая разогрев электронного газа в момент облучения потоком гамма-квантов, а также в больших электрических полях (—100 кВ/см), характерных для субмикронных приборов. Рассчитано изменение зависимостей времен релаксации энергии, импульса и коэффициента диффузии электронов при радиационном облучении. В результате моделирования транспорта электронов в субмикронных полевых транзисторах показано, что при облучении полупроводниковых структур с размерами меньше длины релаксации энергии (меньше 0,5 мкм) из-за генерации неравновесных носителей заряда электронный газ разогревается, что влияет на транспорт электронов в таких структурах. Функция распределения электронов в этом случае имеет близкий к максвелловскому вид, а средняя энергия ионизованных электронов составляет 0,24 эВ. Показано, что наиболее сильно подобный эффект проявляется в твердотельных структурах транзисторов с длиной канала 0,05...0,1 мкм, где ионизованные горячие электроны не успевают остыть вплоть до их втягивания в контакты.

3. Созданы двумерные нестационарные физико-топологические модели субмикронных полевых транзисторов в квазигидродинамическом приближении с учетом радиационного воздействия. Разработана трехмерная модель переноса тепла в структурах субмикронных многосекционных ПТШ средней мощности. На базе этих моделей разработаны методы расчета деградации частотных и шумовых характеристик полевых транзисторов. Разработана модель субмикронных полевых транзисторов, объединяющая метод Монте-Карло, квазигидродинамическое приближение и метод эквивалентной схе-

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА j С.Петербург »

ОЭ МО акт I

' 1 —

мы. Модели реализованы в виде программ численного моделирования. Экспериментальная апробация модели показала, что оптимальное сочетание методов позволяет рассчитывать процессы в субмикронных ОаАэ структурах и полупроводниковых приборах с высокой точностью (20%), в том числе при облучении структур нейтронным, протонным и гамма-облучением.

4. В результате теоретических расчетов показано, что для моделирования процессов в субмикронных структурах ОаАв полевых транзисторов необходимо учитывать изменение времён релаксации энергии и импульса электронов, а также разогрев электронного газа при воздействии на структуры протонного, нейтронного и гамма-излучения. Проведен сравнительный анализ радиационной стойкости полевых транзисторов с длиной канала 0,1; 0,25; 0,5; 1; 5 и 50 мкм. Показано, что локально-полевое приближение адекватно описывает процессы в полевых транзисторах с длиной канала 3...4 мкм и более, а квазигидродинамическое приближение справедливо для любых длин канала. Проведено моделирование нестационарных процессов в субмикронных транзисторах в момент и непосредственно после радиационного воздействия. Показано, что на процесс восстановления высокочастотных свойств транзисторов большую роль оказывают процессы перезарядки глубоких энергетических уровней, вводимых в субмикронные структуры транзисторов во время технологических операций и при облучении нейтронным и протонным излучением.

5. Теоретически и экспериментально исследованы эффекты усиления мощности дозы и флюенса в многослойных композициях подзатворного узла субмикронных полевых транзисторов с характерными толщинами слоев 5...50 нм. Показано, что наличие золотого затвора приводит к неравновесным процессам на границе раздела Аи-ОаАв, которые увеличивают неоднородность энерговыделения в 3...4 раза. Показано, что благодаря неоднородному дефекгообразованию и эффекту усиления флюенса, при нейтронном облучении квазибаллистических полевых транзисторов в канале транзистора формируются наноразмерные отверстия между радиационными дефектами. Перестройка процесса движения электронов через дефектную структуру может в некоторых случаях приводить к улучшению параметров транзисторов в 1,5...2 раза за счет квантово-механических процессов прохождения электронов через наноразмерные отверстия.

6. С целью обеспечения заданных уровней радиационной стойкости разработана технология дальнодействующего ионно-лучевого гетгерирования, повышающая радиационную стойкость субмикронных полевых транзисторов. В результате исследования влияния ионно-лучевого и лазерного дальнодействующего гетгерирования на электрические характеристики ОаАэ п+пп" структур с изготовленными на них полевыми транзисторами с затвором Шоттки, показано, что сходство процессов гетгерирования при воздействии ионно-лучевого и лазерного излучений объясняется аналогичными механизмами генерации упругих волн в полупроводниковой структуре, приводящих к модификации границ раздела эпитаксиальный слой - подложка и металл-полупроводник в исследуемых структурах. Комплексное нейтронное и лазерное облучение субмикронных структур квазибаллистических ПТШ с длиной канала 0,05...0,1 мкм позволяет создать в

канале транзисторов особую структуру радиационных дефектов, при которой отрицательная дифференциальная проводимость транзистора сохраняется, а высокочастотные свойства транзистора улучшаются.

Основным практическим результатом диссертации является разработка научно-методического обеспечения методов расчетно-экспериментального моделирования, оценки и обеспечения уровня стойкости перспективных субмикронных (вплоть до 0,05...0,1 мкм) полупроводниковых приборов к воздействию непрерывного и импульсного нейтронного, протонного и гамма-излучения.

Частные практические результаты:

1. Предложен комплексный подход к исследованию электрофизических параметров субмикронных структур полевых транзисторов, который позволил получить достоверные результаты и оценить вклад неоднородностей и границ раздела в процессы взаимодействия радиационного излучения со структурами. Экспериментально исследовано влияние импульсного гамма- и нейтронного излучений на нестационарные процессы генерации, быстрого отжига, перестройки и перезарядки дефектов различной природы, приводящие к изменению параметров структур в 2...10 раз.

2. Предложена специальная протонная обработка ваАз, позволяющая использовать подобную структуру в качестве радиационно-стойкого фотодетектора. Исследованы процессы комплексного протонно-нейгронного и гамма-протонного воздействия радиационного излучения на характеристики радиационно-стойких фотодетекторов. Показано, что благодаря перестройке структуры глубоких уровней в структуре фоточувствительность сохраняется неизменной в диапазоне флюенсов до 10,4см"2.

3. Экспериментально исследованы процессы в субмикронных и квазибаллистических полевых транзисторах при протонном, нейтронном и гамма-облучении. Проведены измерения деградации статических (ВАХ, крутизна, емкости) и динамических (коэффициенты усиления и шума) параметров субмикронных (в том числе с длиной канала 0,05...0,1 мкм) транзисторов при радиационном облучении.

4. Экспериментально показано, что в режиме междолинной генерации квазибаллистический полевой транзистор (с длиной канала 0.05...0.1 мкм) имеет на порядок меньшую чувствительность к радиационному облучению, чем классический диод Ганна. В режиме усиления подобный транзистор продемонстрировал стойкость к нейтронному облучению вплоть до 3...51013 см"2, к дозе гамма-облучения до 105 Гр, и к мощности дозы гамма-облучения свыше 3-Ю10Гр/с.

5. На основе экспериментальных данных показано, что благодаря дифракции оптического излучения на острие У-образного затвора квазибаллистического ПТШ удается локализовать энерговыделение излучения в областях, существенно меньших длины волны, и модифицировать область канала транзистора, в том числе при наличии в ней радиационных дефектов.

6. Экспериментально апробирована технология магнетронного напыления затвора мощного субмикронного ПТШ с последующей дополнительной обработкой поверхно-

сти GaAs между затвором и стоком электронным облучением, позволяющая улучшить высокочастотные параметры и радиационную стойкость транзистора в 2 и более раз.

7. Экспериментально апробирована процедура дальнодействующего ионно-лучевого геттерирования, улучшающая высокочастотные параметры и радиационную стойкость мощных субмикронных полевых транзисторов в 2...3 раза.

8. Результаты диссертации использованы в ННГУ при постановке учебных курсов «Твердотельная электроника», «Моделирование полупроводниковых приборов» и при подготовке лабораторного практикума по курсу «Физика полупроводниковых приборов».

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ

1. Оболенский C.B. Предел применимости локально-полевого и квазигидродинамического приближения при расчетно-экспериментальной оценке радиационной стойкости субмикронных полупроводниковых приборов // Изв. вузов: Электроника. - 2002. - № 6. - С. 31-38.

2. Оболенский C.B. Неаддитивность дефекгообразования при последовательном протонном и нейтронном облучении GaAs // ФизХОМ. - 2001. - № 2. - С. 5-6.

3. Оболенский C.B., Китаев М.А. Полевой транзистор с ЗО-nm затвором // Письма в ЖТФ. - 2000. - № 10. - С. 13 -16.

4. Оболенский C.B., Скупов В.Д. Особенности проявления эффекта дальнодействия в арсенидгаллиевых транзисторных структурах при комбинированном облучении ионами различных масс // Письма в ЖТФ. - 2003. - № 2. - С. 30-34.

5. Оболенский C.B., Скупов В.Д. Влияние ионно-лучевого геттерирования на параметры GaAs-транзисторных структур при нейтронном облучении // Письма в ЖТФ.-2000.-№15.-С. 1-5.

6. Козлов В.А., Оболенский C.B., Китаев М.А. Нанометровая модификация материала методом электродинамической локализации оптического излучения // Письма в ЖТФ. - 2001. - № 19. - С. 32-38.

7. Оболенский C.B. Структура кластера радиационных дефектов при нейтронном облучении полупроводников // «Разработка радиационно-стойких полупроводниковых систем связи и прецизионных измерений с использованием шумового анализа»: Труды II межд. совещ., Н.Новгород, 12-13 апреля 2002, - Н.Новгород: ННГУ. - 2002. - С. 155-165.

8. Киселев В.К., Оболенский C.B., Скупов В.Д. Влияние внутреннего геттера в кремнии на параметры структур Au-Si // ЖТФ. - 1999. - № 6. - С. 129-131.

9. Демарина Н.В., Оболенский C.B. Электронный транспорт в нанометровых GaAs структурах при радиационном воздействии //ЖТФ. - 2002. - № 1. - С. 66-71.

10. Демарина Н.В., Оболенский C.B., Скупов В.Д. Новый метод исследования быс-тропротекаюшей релаксации радиационных дефектов в полупроводниковых материалах // Известия РАН: сер. Физическая. - 2000. - № 11. - С. 2162-2167.

П.Оболенский C.B., Скупов В.Д. Эффект дальнодействия при радиационных воздействиях на полупроводниковые структуры с внутренними границами раздела // Поверхность. - 2000. - № 5. - С. 75-79.

12. Оболенский C.B., Китаев М.А. Исследование процессов генерации в баллистическом полевом транзисторе // Микроэлектроника. - 2001. - № 1. - С. 10-15.

13.Демарина Н.В., Оболенский C.B. Разогрев электронного газа в субмикронных структурах быстрыми электронами, инжектированными из металла // ФизХОМ. -2001.-№ 1,- С. 20-23.

Н.Оболенский C.B., Павлов Г.П. Влияние нейтронного и космического излучения на характеристики полевого транзистора с затвором Шотгки // ФТП. - 1996. - № 3.-С. 413-420.

15. Оболенский C.B., Скупов В.Д., Фефелов А.Г. Проявление эффекта дальнодействия в ионно-облученных транзисторных структурах на основе GaAs // Письма в ЖТФ. -1999. - № 16. - С. 50-54.

16. Оболенский C.B., Китаев М.А. Отрицательная дифференциальная проводимость квазибаллистического полевого транзистора // Микроэлектроника. - 2001. -№ 6. С. 459-465.

17.0bolensky S.V., Demarina N.V. Modeling of Ionizing Irradiation Influence on Schot-tky-Gate Field-Effect Transistor // Microelectronics Reliability. - 1999. - № 8. - P. 1247-1263.

18. Воздействие оптического излучения на баллистический полевой транзистор с нанометровым затвором / Козлов В.А., Оболенский C.B., Китаев М.А., Демарина Н.В. // Микросистемная техника. -2001,-№4. -С. 26-28.

19. Оболенский C.B., Демарина Н.В. Моделирование воздействия ионизирующего излучения на полевой транзистор с затвором Шотгки // Зарубежная радиоэлектроника: успехи современной радиоэлектроники. - 1997. - № 4. - С. 66-80.

20. Патент РФ на изобретение № 2176422 «Способ гетгерирующей обработки эпи-таксиальных слоев полупроводниковых структур» от 28.06.01г. // Киселев В.К., Оболенский C.B., Скупов В.Д.

21. Патент РФ на изобретение № 2156520 «Способ контроля структурного совершенства монокристаллических полупроводниковых пластин» от 21.04.00 г. // Киселев В.К., Оболенский C.B., Скупов В.Д.

22. Оболенский C.B., Демарина Н.В., Китаев М.А. Моделирование воздействия ионизирующего излучения на полевой транзистор с затвором Шотгки // Вестник Верхне-Волжского отделения Академии технологических наук РФ: серия «Высокие технологии в радиоэлектронике». - 1997.-Х® 1.-С. 128-133.

23.0bolensky S.V., Pavlov G.P. The pulse radiation influence on MESFET // Fundamental investigation of new materials and processes in substance /Edit by Tikhonov A.N., Sadovnichi W.A., Tret'yakov Yu.D., - M.:MSU. -1996. - P. 17-18.

24. Оболенский C.B. Определение электрофизических констант GaAs при радиационном воздействии // «Разработка радиационно-стойких полупроводниковых

систем связи и прецизионных измерений с использованием шумового анализа»: Труды межд. совещ., Н.Новгород, 12-13 апреля 2002, - Н.Новгород: ННГУ. -2002.-С. 146-155.

25. Оболенский C.B. Моделирование характеристик полевого транзистора при инжекции атомов Au затвора в GaAs, стимулированной нейтронным облучением // «Разработка радиационно-стойких полупроводниковых систем связи и прецизионных измерений с использованием шумового анализа»: Труды межд. совещ., Н.Новгород, 12-13 апреля 2002, - Н.Новгород: ННГУ. - 2002. - С. 134-142.

26. Оболенский C.B. Идентичность процессов дальнодействующего гетгерирования при ионном и лазерном облучении транзисторных структур // «Разработка радиа-ционно-стойких полупроводниковых систем связи и прецизионных измерений с использованием шумового анализа»: Труды межд. совещ., Н.Новгород, апрель 2002, - Н.Новгород: ННГУ. - 2002. - С. 142-146.

27. Оболенский C.B. Структура кластера радиационных дефектов при нейтронном облучении полупроводников // «Разработка радиационно-стойких полупроводниковых систем связи и прецизионных измерений с использованием шумового анализа»: Труды межд. совещ., Н.Новгород, 12-13 апреля 2002, - Н.Новгород: ННГУ. -2002.-С. 155-165.

28. Воздействие оптического излучения на баллистический полевой транзистор с нанометровым затвором / Оболенский C.B., Демарина Н.В., Козлов В.А., Китаев М.А. И «Нанофотоника-2000»: Труды межд. совещ., Н.Новгород, 23-27 марта

2000, - Н.Новгород: ИФМ РАН. - 2000. - С. 250-253.

29. Оболенский C.B., Китаев М.А., Фефелов А.Г Влияние нейтронного и протонного излучения на скорость электронов в n-GaAs // «Радиационная физика твердого тела»: Труды VIII межнационального совещ., Севастополь, 1-4 июля 1998г., - М: МГИЭМ. - 1998. - С. 161-165.

30. Оболенский C.B., Демарина Н.В. Моделирование радиационной стойкости диода Ганна // Наука - производству. - 1998. - № 12. - С. 12-16.

31. Оболенский C.B. Токовая спектроскопия глубоких уровней в n-GaAs на основе анализа ВАХ полевых транзисторов // Новые промышленные технологии. - 2001. -№2-3.-С. 29-32.

32. Асмолова Н.Ф., Киселев В.К., Оболенский C.B. Конверсия спектра рентгеновского излучения в технологических целях // Новые промышленные технологии. -

2001.-№2-3.-С. 24-25.

33. Исследование характеристик фотоуправляемого GaAs фотопереключателя / Киселев В.К., Оболенский C.B., Семьин Г.Н., Труфанов А.Н.// Новые промышленные технологии. - 2001. - № 2-3. - С. 47-49.

34. Исследование характеристик GaAs фотопереключателя / Киселев В.К., Оболенский C.B., Семьин Г.Н., Труфанов А.Н. // ВАНТ: сер. Воздействие радиационного излучения на РЭА. - 2001. - № 1-2,- С. 145-148.

35. Оболенский C.B. Спектроскопия глубоких уровней в n-GaAs на основе анализа ВАХ полевых транзисторов // Радиационная стойкость электронных систем -Стойкость 98»: Тез. докл. Росс, конф., Лыткарино, 1-3 июня 1998г., -М.: СПЭЛС-НИИП. - 1998. - С. 157-159.

36. Характеристики полевого транзистора с гетеробуфером / Оболенский C.B., Кита-ев М.А., Трофимов В.Т. и др. // Тез. докл. Росс. конф. «Полупроводники-2001», Н.Новгород, 10-14 сентября 2001, - Н.-Новгород: ИФМ РАН. - 2001. - С. 153.

37.Демарина Н.В., Оболенский C.B., Фефелов А.Г. Влияние протонного излучения на вольт-амперные характеристики полевого транзистора с затвором Шоттки // «Микроэлектроника и информатика»: Тез. докл. межд. конф., Зеленоград, 15-18 февраля 1997, - Зеленоград: МИЭТ. - 1997 - С. 22.

38. Управление характеристиками полевого транзистора с затвором Шоттки ИК-излучением / Демарина Н.В., Оболенский C.B., Китаев М.А., Фефелов А.Г. // «Микроэлектроника и информатика»: Тез. докл. межд. конф., Зеленоград, 15-18 февраля 1997, - Зеленоград: МИЭТ. - 1997. - С. 23.

39. Оболенский C.B. Внутренняя структура кластера радиационных дефектов при нейтронном облучении GaAs // «Физика взаимодействия заряженных частиц с кристаллами»: Тез. докл. XXXII межд. конф., Москва, 27-29 мая 2002, - М.: МГУ. -2002.-С. 186.

40. Оболенский C.B. Улучшение характеристик полевого транзистора при инжекции атомов Au затвора в GaAs, стимулированной нейтронным облучением // «Физика взаимодействия заряженных частиц с кристаллами»: Тез. докл. XXXI межд. конф., Москва, 26-28 мая 2001, - М.: МГУ. - 2001. - С. 153.

41. Оболенский C.B. Сравнение процессов дальнодействующего геттерирования при ионном и лазерном облучении транзисторных структур // «Физика взаимодействия заряженных частиц с кристаллами»: Тез. докл. XXXI межд. конф., Москва, 26-28 мая 2001, - М.: МГУ. - 2001. - С. 152.

Подписано в печать 25.08.2003. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 2. Зак. 1027. Тир. 100.

Типография Нижегородского госуниверситета Лицензия № 18-0099 603000, Н. Новгород, ул. Б. Покровская, 37.

i

t

! I

I

I

I I

I

I

I

f I

4

I f

2 до?-ft P 144 1 8

Введение.

Глава 1. Исследование электрофизических характеристик эпитаксиапь-ных GaAs структур субмикронных полупроводниковых приборов при радиационном воздействии.

1.1. Дефектообразование и ионизация в полупроводниковых материалах и субмикронных полупроводниковых структурах.

1.1.1. Источники радиационного излучения.

1.1.2. Ионизация полупроводников при радиационном воздействии. Функция распределения электронов, ионизированных при радиационном воздействии.

1.1.3. Особенности метода численного моделирования движения первичных атомов в полупроводниковых структурах.

1.1.4. КРД в GaAs и Si при облучении быстрыми нейтронами.

1.1.5. Неоднородности распределения дефектов в кластере.

1.1.6. Неоднородности распределения СКРД при нейтронном облучении.

1.2. Процесс стабилизации КРД в GaAs.

1.2.1. Процесс формирования стабильного КРД.

1.2.2. Измерения размеров стабильных КРД в GaAs и Si.

1.2.3. Характеристики области пространственного заряда СКРД в GaAs.

1.3. Комплексное исследование изменения параметров GaAs полупроводниковых структур и приборов при облучении быстрыми час- 56 тицами и гамма-квантами.

1.3.1. Характеристики полупроводников при радиационном облучении (общие положения).

1.3.2. Исследуемые образцы.

1.3.3. Измерительная аппаратура.

1.3.4. Методики проведения измерений.

1.3.5. Определение электрофизических характеристик полупроводниковых структур субмикронных ПТШ.

1.3.6. Радиационные дефекты в полупроводниковых структурах субмикронных ПТШ.

1.3.7. Токовая спектроскопия глубоких уровней в структуре GaAs ПТШ.

1.3.8. Исследования характеристик протонированной GaAs структуры.

Выводы к Л главе.

Глава 2. Моделирование движения носителей заряда в субмикронных GaAs полупроводниковых структурах при протонном, гамма и нейтронном воздействии.

2.1. Использование метода Монте-Карло для анализа транспорта носителей заряда в GaAs субмикронных структурах при радиационном воздействии.

2.1.1. Алгоритм метода Монте-Карло.

2.1.2. Апробация модели электронного транспорта в необлу-ченном материале.

2.1.3. Учет радиационного воздействия.

2.2. Результаты моделирования транспорта носителей заряда в GaAs субмикронных структурах при радиационном воздействии.

2.2.1. Точечные дефекты.

2.2.2. Субкластеры радиационных дефектов.

2.2.3. Перенос электронов в субмикронных структурах при гамма-облучении.

2.3. Квазигидродинамическое приближение для моделирования процессов в субмикронных GaAs полупроводниковых приборах при ионизирующем и дефектообразующем действии радиации.

Выводы ко 2 главе.

Глава 3. Теоретические и экспериментальные исследования радиационных эффектов в GaAs субмикронных полевых транзисторах с затвором Шоттки.

3.1. Разработка и апробация квазигидродинамической модели для расчета статических и высокочастотных параметров субмикронных транзисторов.

3.1.1. Квазигидродинамическая модель субмикронного полевого транзистора с затвором Шоттки.

3.1.2. Апробация квазигидродинамической модели для расчета электронного транспорта в GaAs ПТШ при дефектообразующем радиационном воздействии.

3.2. Высокочастотные шумы квазибаллистических полевых транзисторов при нейтронном облучении.

3.2.1. Конструкция и характеристики квазибаллистического ПТШ.

3.2.2. Моделирование транспорта электронов в канале транзистора.

3.2.3. Анализ радиационной стойкости квазибаллистичбеского ПТШ.

3.3. Отрицательная дифференциальная проводимость и высокочастотная генерация в квазибаллистических полевых транзисторах при радиационном воздействии.

3.3.1. Отрицательная дифференциальная проводимость квазибаллистического ПТШ.

3.3.2. Исследование процессов генерации в баллистическом полевом транзисторе при радиационном воздействии.

Выводы к 3 главе.

Глава 4. Неравновесные процессы на границах раздела металл-полупроводник в субмикронных GaAs полевых транзисторах с затвором Шоттки.

4.1. Эффекты усиления мощности дозы и флюенса радиационного воздействия в субмикронных структурах полевых транзисторов.

4.1.1. Эффект усиления мощности дозы в случае облучения многослойных структур рентгеновским излучением.

4.1.2 Эффект усиления флюенса на границе раздела двух сред с различными сечениями взаимодействия с нейтронным излучением.

4.2. Образование наноразмерных включений в канале квазибаллистического полевого транзистора при радиационном облучении.

4.2.1. Образцы.

4.2.2. Моделирование эффекта усиления флюенса и неоднородности распределения КРД в канале транзистора.

4.2.3. Моделирование характеристик квазибаллистических транзисторов при нейтронном облучении.

4.2.4. Экспериментальные результаты изменения параметров длиннозатворных ПТШ после облучения.

4.2.5. Улучшение характеристик баллистического ПТШ с нм затвором при нейтронном облучении.

4.2.6. Формирование КО при облучении V-ПТШ нейтронами.

4.3. Нанометровая модификация канала квазибаллистического транзистора методом электродинамической локализации оптического излучения.

4.3.1. Описание электродинамического метода локализации оптического излучения.

4.3.2. Теоретические оценки.

4.3.3. Описание эксперимента.

4.3.4. Результаты эксперимента.

Выводы к 4 главе.

Глава 5. Влияние радиационных технологических процессов на радиационную стойкость GaAs субмикронных полевых транзисторов.

5.1. Влияние технологических процессов изготовления субмикронных полевых транзисторов на их отказы при радиационном воздействии.

5.1.1. Выгорание полевых транзисторов с затвором Шоттки (ПТШ).

5.1.2. Внезапные отказы.

5.1.3. Постепенная деградация параметров.

5.1.4. Пути повышения стабильности параметров субмикронных ПТШ.

5.2. Влияние ионно-лучевого геттерирования на радиационную стойкость субмикронных полевых транзисторов.

5.2.1. Сопоставление процессов геттерирования в Si и GaAs структурах.

5.2.2. Эффект дальнодействия при радиационных воздействиях на полупроводниковые структуры субмикронных GaAs ПТШ.

5.2.3. Идентичность процессов дальнодействующего геттерирования при ионном и лазерном облучении транзисторных структур.

5.2.4. Радиационная стойкость GaAs полевых транзисторов с затвором Шоттки после ионно-лучевого геттерирования.

Выводы к 5 главе.

Диссертация посвящена ФИЗИКО-ТОПОЛОГИЧЕСКОМУ МОДЕЛИРОВАНИЮ ХАРАКТЕРНО ТИК СУБМИКРОННЫХ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ НА АРСЕНИДЕ ГАЛЛИЯ С УЧЕТОМ РАДИАЦИОННЫХ ЭФФЕКТОВ, позволяющему решить важнейшую народнохозяйственную задачу определения и обеспечения стойкости перспективной элементной базы сверхвысокочастотных устройств связи и систем управления объектов специального назначения (в том числе военной техники) при улучшении их технико-экономических и эксплуатационных характеристик.

Актуальность проблемы. Развитие полупроводниковой электроники связано с уменьшением размеров активных областей активных элементов (диодов и транзисторов), которое на сегодняшний день достигло значений 0,1 мкм и менее. Принципиальное изменение физических процессов движения электронов в таких структурах позволило повысить предельные частоты, уменьшить необходимую для переключения энергию, а также снизить длину линий передачи данных в интегральных схемах (ИС).

В последние годы идет исследование взаимодействия различных видов фотонного и корпускулярного излучений с составными частями радиоэлектронной аппаратуры: интегральными схемами и дискретными полупроводниковыми приборами. С одной стороны, важность подобных исследований обусловлена проблемой радиационной стойкости военных и космических систем, а с другой стороны - развитием и все большим применением радиационных технологических процессов, использующихся для изготовления и во время испытаний полупроводниковых устройств. Применение математических моделей позволяет не только экономить время и средства, требуемые для разработки аппаратуры, но часто является единственно возможным средством, позволяющим понять и наглядно представить физические процессы, протекающие в субмикронных структурах полупроводниковых приборов при радиационном воздействии.

Воздействие радиационного излучения приводит к образованию дефектов и ионизации полупроводника. Радиационные дефекты условно можно разделить на точечные (вакансия и атом в междоузлии), комплексы дефектов (например, вакансия - атом примеси) и кластеры радиационных дефектов (КРД), т.е. скопления точечных дефектов и их комплексов, образующиеся при воздействии быстрых нейтронов, космических протонов и более тяжелых частиц. Тенденция уменьшения размеров активных областей субмикронных полупроводниковых приборов имеет физические ограничения, связанные: а) с неравномерностью распределения и конечным числом точечных заряженных центров (ионов примеси, дефектов и т.п.) в приборах; б) размером протяженных областей пространственного заряда (ОПЗ) (р-n переходов, барьеров Шоттки, КРД и т.п.), которые определяются уровнями легирования слоев полупроводника. Последнее наиболее существенно в перспективных приборах с длинами активных областей 0,1 мкм и менее.

В условиях радиационного воздействия уменьшение размеров структур приводит к принципиальным изменениям физики работы приборов, связанных с тем, что: 1) характерные пространственные масштабы изменения электрического поля сопоставимы с длинами релаксации энергии и импульса электронов и длиной свободного пробега электронов; 2) характерные размеры рабочих областей приборов сравнимы с расстоянием между КРД; 3) характерные размеры рабочих областей приборов сопоставимы с размерами КРД; 4) ионизирующее излучение разогревает электронный газ, который не успевает остывать за времена пролета рабочей области приборов; 5) при облучении нейтронами происходит перестройка протонированных изолирующих областей ИС, что сказывается на процессах протекания тока и фоточувствительности; 6) взаимодействие ионизирующих излучений (особенно лазерных) имеет особенности при взаимодействии с нанометровыми металлическими объектами; 7) радиационные технологические процессы (например, геттерирование) существенно изменяют электрофизические характеристики полупроводника, что заметным образом сказывается на процессах формирования радиационных дефектов в субмикронных приборах; 8) электроны, разогнанные до энергий 0,5. 1 эВ большими электрическими полями 100 кВ/см) в субмикронных приборах, могут проникать между субкластерами радиационных дефектов (СКРД) внутри КРД, что принципиально меняет подход к моделированию радиационной стойкости приборов.

Поглощение радиационного излучения в субмикронных структурах вблизи границ раздела материалов имеет свои особенности. Различия в атомных весах, плотности, сечениях взаимодействия с фотонами и быстрыми частицами порождают неравновесные процессы на границах раздела, приводящие как к усилению радиационного воздействия, так и к его ослаблению. Характерные длины проявления подобных эффектов сравнимы с размерами рабочих областей современных приборов 0,05.0,1 мкм), поэтому неоднородности в дефектообразовании и ионизации, разогреве электронного газа и возникновении квантово-размерных структур КРД приводят к качественному изменению процесса протекания тока в активных областях приборов. Несмотря на то, что длины рабочих областей современных приборов сравнимы с длиной бесстолк-новительного пролета электронов и, казалось бы, радиационные дефекты не должны влиять на функционирование приборов, при некоторых значениях на-пряженностей электрических полей это влияние вызывает улучшение характеристик субмикронных приборов.

Иная ситуация возникает на границах раздела полупроводника с металлическим объектом, имеющим нанометровые размеры. Несмотря на то, что процесс взаимодействия радиационного излучения с многослойными композициями носит случайный характер, в нанометровых областях, прилегающих к граням протяженных металлических объектов, кластеры радиационных дефектов за счет эффекта усиления флюенса будут расположены упорядочено, по крайней мере по двум из трех координат. Последнее приводит к существенному изменению транспорта электронов в таких областях. Необходимо учитывать не только процессы, протекающие вблизи двумерных объектов (границ раздела), но и принимать в расчет одномерные объекты: протяженные грани металлических контактов, цепочки КРД и т.д. Требуется модифицировать математические модели для адекватного описания процессов в субмикронных приборах, проведения оптимизации их конструкции (в том числе и по параметру радиационная стойкость) и обработки результатов экспериментов и испытаний.

Решению этих вопросов, а именно моделированию доминирующих радиационных эффектов в арсенидгаллиевых субмикронных и квазибаллистических полевых транзисторах с затвором Шоттки (ПТШ) при радиационном облучении, разработке расчетно-экспериментальных методов прогнозирования стойкости субмикронных полупроводниковых приборов, разработке методов повышения стойкости перспективной GaAs элементной базы с целью обеспечения заданных уровней - посвящены исследования, проводившиеся с 1990 по 2002 год, итогом которых и является данная диссертация.

Состояние исследований по проблеме. Для анализа движения носителей заряда в полупроводниковом материале и моделирования поглощения радиационного излучения в многослойных композициях разработан целый ряд математических моделей, в том числе, основанных на методе частиц (с использованием математической процедуры Монте-Карло). Но до сих пор при расчетах радиационной стойкости субмикронных полупроводниковых приборов использовались, в основном, упрощенные методы моделирования, основанные на замене исследуемого прибора эквивалентной схемой. Эта методика оправдана для приборов, имеющих микронные топологические нормы, и не позволяет учесть выше перечисленные физические эффекты, связанные с субмикронными размерами областей.

Для анализа процессов в субмикронных приборах требуется применение физико-топологического моделирования (сочетания квазигидродинамического приближения и метода частиц на основе процедуры Монте-Карло). Наиболее важным преимуществом в подобном сочетании методов является возможность комплексного анализа процессов ионизации, дефектообразования и электронного транспорта в многослойных нанометровых структурах. Благодаря использованию физико-топологических моделей полупроводниковых приборов, которые в том или ином приближении моделируют реальное движение электронов в активной области прибора, за счет изменения условий протекания электронов удается моделировать перечисленные выше процессы, получая реальную картину взаимодействия электронов с изменяющимися во времени на-нометровыми структурами КРД. Применительно к субмикронным приборам такая работа ранее не проводилась.

Отсутствие единого подхода к моделированию комплексного радиационного воздействия на субмикронные полупроводниковые приборы и отличие в экспериментальных данных по радиационной стойкости для отечественных и зарубежных субмикронных приборов обуславливает необходимость разработки законченной системы расчетно-экспериментальных методов моделирования. Двумерное и трехмерное нестационарное моделирование движения носителей заряда при воздействии квантов и быстрых частиц, а также расчет распределения тепла в полупроводниковых структурах позволяет в динамике изучать процессы перераспределения концентрации и энергии носителей заряда, электрического поля и обусловленных ими электрических токов. Последнее весьма важно при обработке результатов экспериментов, когда за измеренными зависимостями токов и напряжений от времени скрываются комплексные процессы взаимодействия электронного газа с кристаллической решеткой и радиационным излучением.

Предлагаемый для анализа действия радиации на приборы теоретический подход должен позволять: 1) проводить расчет пространственной структуры КРД и их распределения в пространстве как в однородном материале, так и в многослойных композициях; 2) моделировать бесстолкновительное движение электронов и прерывающие это движение процессы столкновений с радиационными дефектами, рассчитывать функции распределения электронов по энергии и заполнение энергетических долин; 3) использовать результаты аналитических расчетов и экспериментальные данные в качестве начальных и граничных условий; 4) проводить расчет статических и динамических параметров полупроводниковых приборов и радиотехнических схем в целом.

Экспериментальные исследования упомянутых выше процессов, требуют применения комплексного подхода к анализу параметров материала, многослойных структур и приборов. Желательно в рамках одного анализируемого объекта проводить комплекс измерений, позволяющих определить максимальное число параметров как материала, так и прибора. Ранее подобный подход не использовался ввиду других пространственных масштабов (характерных длин) протекаемых процессов. Относительно большие размеры исследуемых приборов позволяли обходиться несколькими объектами, удобными для тех или иных измерений.

Цель диссертации - разработка методов и средств расчетно-экспериментального моделирования физических процессов в субмикронных арсенидгалпиевых полупроводниковых приборах с учетом размерных и радиационных эффектов, что позволит решить важную народнохозяйственную задачу определения и обеспечения стойкости перспективной сверхвысокочастотной элементной базы устройств связи и систем управления объектов специального назначения (в том числе и военной техники) при улучшении технико-экономических показателей за счет существенного сокращения затрат на стадии разработки, испытаний и совершенствования их эксплуатационных характеристик.

Поставленная цель достигнута путем решения следующих теоретических и экспериментальных задач:

- проведение расчетов размеров и формы КРД, экспериментальные измерения характеристик радиационных дефектов (положения глубоких уровней), возникающих в структурах нанометровых рабочих областей квазибаллистических полевых транзисторов;

- разработка алгоритма расчета и проведение расчета электрофизических характеристик GaAs с радиационными повреждениями (с учетом точечных дефектов и распределения СКРД внутри КРД);

- измерение электрофизических характеристик субмикронных GaAs структур до и после дефектообразующего радиационного воздействия;

- разработка, реализация и экспериментальная апробация алгоритма расчета электрофизических характеристик субмикронных GaAs структур с радиационными дефектами при ионизирующем воздействии излучения;

- теоретическое и экспериментальное сопоставление статических вольт-амперных (ВАХ) и вольт-фарадных (ВФХ) характеристик, а также динамических характеристик (коэффициенты усиления и шума, выходная мощность и нелинейные искажения) полевых транзисторов с микронными, субмикронными и нанометровыми рабочими областями и слоями при различных уровнях радиационного воздействия;

- экспериментальное и теоретическое исследование процессов при радиационном облучении структур квазибаллистических полевых транзисторов (с длиной канала 0,05.0,1 мкм), функционирующих в режиме междолинной генерации;

- измерение импульсных токов субмикронных полевых транзисторов, а также фотодетекторов со специальным протонированным фоточувствительным слоем в момент воздействия импульса гамма-квантов наносекундной длительности;

- разработка и реализация алгоритма расчета поглощения радиационного излучения в приборных структурах с нанометровыми рабочими слоями в условиях проявления эффектов усиления мощности дозы гамма-излучения и флю-енса нейтронного излучения;

- экспериментальное и теоретическое обоснование возможности улучшения характеристик квазибаллистического полевого транзистора с затвором Шоттки (с длиной канала 0,05.0,1 мкм) при нейтронном облучении;

- разработка и реализация алгоритма расчета статических и высокочастотных характеристик субмикронных полупроводниковых приборов при воздействии радиационного излучения с использованием нестационарной квазигидродинамической модели;

- экспериментальное исследование влияния процессов ионно-лучевого гетте-рирования на улучшение радиационной стойкости субмикронных полевых транзисторов.

Научная новизна и значимость диссертации:

1. Впервые проведено моделирование процессов переноса носителей заряда в субмикронных полупроводниковых структурах с учетом детальной структуры КРД.

2. Впервые получены функция распределения по энергии, времена релаксации энергии и импульса электронов в n-GaAs субмикронных структурах при дефектообразующем радиационном воздействии в сильных и слабых электрических полях.

3. Впервые экспериментально и теоретически изучено влияние радиационных дефектов на кинетику разогрева электронного газа в субмикронных GaAs структурах.

4. Обосновано использование приближения времён релаксации, для моделирования процессов переноса носителей заряда в субмикронных приборных структурах при радиационном воздействии.

5. Предложена новая модель для анализа процессов разогрева электронного газа при воздействии ионизирующего излучения, которая позволила рассчитать радиационную стойкость субмикронных ПТШ (с длиной канала до 0,1 мкм), в том числе высокочастотные характеристики (коэффициенты усиления и шума) в момент воздействия импульсного гамма-облучения.

6. Проведены экспериментальные исследования радиационной стойкости субмикронных квазибаллистических ПТШ с V-образным затвором и длиной канала 0,05.0,1 мкм.

7. Экспериментально исследованы процессы дальнодействующего геттериро-вания в структурах GaAs субмикронных полевых транзисторов с затвором Шоттки и подтверждено их влияние на улучшение радиационной стойкости прибора.

8. При облучении ПТШ ИК излучением теоретически и экспериментально исследованы процессы локального выделения энергии излучения в областях с размерами меньше длины волны излучения, прилегающих к V-образному затвору полевого транзистора с длиной канала 0,05.0,1 мкм.

Практическая значимость полученных в диссертации результатов:

1. На основе сопоставления теории и эксперимента определены области применимости моделей, основанных на методе Монте-Карло, квазигидродинамическом и локально-полевом приближениях.

2. Разработан пакет прикладных программ, который применялся для:

- расчета электрофизических характеристик n-GaAs с радиационными дефектами (с учетом детальной структуры КРД);

- моделирования процессов разогрева электронного газа в n-GaAs с радиационными дефектами в сильных электрических полях;

- моделирования разогрева электронного газа в n-GaAs при воздействии ионизирующего излучения в многослойных приборных структурах;

- расчета статических и динамических характеристик субмикронных полупроводниковых приборов (полевых транзисторов) при радиационном облучении.

3. Пакет прикладных программ введен в промышленную эксплуатацию (НИИИС) и используется для оценки радиационной стойкости дискретных полупроводниковых приборов и интегральных схем (НПП «Салют», ВНИИТФ). С его помощью оптимизирована конструкция нескольких типов полевых транзисторов и НС (НПП «Салют», НИИИС).

4. Разработана методика и экспериментальная установка для комплексного анализа характеристик квазибаллистических ПТШ при радиационном облучении.

5. Проведена серия испытаний субмикронных полевых транзисторов с затвором Шоттки производства НПП «Салют», которая продемонстрировала теоретически предсказанную высокую радиационную стойкость приборов. Рассчитанные с помощью разработанной модели характеристики субмикронных ПТШ при радиационном воздействии хорошо совпадают с результатами измерений. Использование результатов расчетов позволило уменьшить время и средства для экспериментального макетирования и испытаний при разработке радиационно-стойких субмикронных транзисторов интегральных схем на их основе (НИИИС).

6. Проведено моделирование процессов движения электронов в ПТШ, подвергнутых ионно-лучевому геттерированию, и объяснены особенности процессов модификации характеристик структуры ПТШ, позволившие повысить его радиационную стойкость. Положительный эффект подобной технологии подтвержден патентом РФ.

7. Исследованы процессы локального поглощения энергии ИК излучения в областях, прилегающих к V-образному затвору ПТШ. Результаты исследования использованы для наноразмерной модификации структуры прибора, улучшившей его высокочастотные характеристики и радиационную стойкость. Экспериментально исследовано влияние нейтронного излучения на электрофизические характеристики протонированного GaAs, показана слабая зависимость фоточувствительности подобных структур при нейтронном облучении, изготовлена ИС фотодетектора с высокой радиационной стойкостью.

8. Результаты диссертации вошли в 12 научно-технических отчетов ННГУ и НИИИС.

9. Результаты диссертации использованы в ННГУ при подготовке учебных курсов «Твердотельная электроника» и «Методы моделирования полупроводниковых приборов», а также были использованы при подготовке лабораторного практикума по курсам «Твердотельная электроника» и «Физика полупроводниковых приборов. Результаты диссертации и пакет прикладных программ использованы в курсе дистанционного обучения «Твердотельная электроника», реализуемого через Интернет.

Публикации и апробация результатов.

Основные результаты, представленные в диссертации отражены более чем в 100 научных публикациях, в том числе в 34 статьях, 12 научно-технических отчетах, 2 патентах РФ, 37 трудах и 43 тезисах докладов международных и российских конференций: на Международной конференции «Методы и средства оценки и повышения надежности приборов, устройств и систем» (Пенза, 1992г.); на Международной межвузовской конференции «Современные проблемы электроники и радиофизики СВЧ» (Саратов, 4-8 сентября 1997 г.); на Международной научной конференции «Системные проблемы теории надежности, математического моделирования и информационных технологий» (Сочи, 16-21 сентября 1997 г.); на Международных научно-технических конференциях «Микроэлектроника и информатика» (Москва, Зеленоград, ноябрь 1993, 1994 и 1997 г.); на VIII межнациональном совещании "Радиационная физика твердого тела" (Севастополь, 1998 г.); на XI Международной зимней школе по СВЧ электронике и радиофизике (Саратов, 2-6 марта 1999 г.); на Международных конференциях «Физика взаимодействия заряженных частиц с кристаллами» (Москва, МГУ, 1998, 1999, 2000, 2001, 2002); на международных совещаниях «Разработка радиационно-стойких полупроводниковых систем связи и прецизионных измерений с использованием шумового анализа» (Н.Новгород, ННГУ, 2000, 2001, 2002); на Российских конференциях «Радиационная стойкость электронных систем» (1998, 1999, 2000, 2001, 2002); на Научной конференции «Структура и свойства твердых тел», (физфак ННГУ

H.Новгород, сентябрь 1999 г., октябрь 2000г.); на III, IV, V Нижегородских сессиях молодых ученых (Н.Новгород, апрель 1998, 1999 г.2000г); на Ежегодных конференциях по радиофизике (Н.Новгород, ННГУ 1992-2001 г.). На семинарах кафедры электроники ННГУ, МИФИ, ИФМ РАН, НИФТИ, ГНПП «САЛЮТ», НИИИС, ВНИИТФ.

На защиту выносятся:

I. Основанный на процедуре Монте-Карло и квазигидродинамическом приближении метод анализа движения носителей заряда в субмикронных полупроводниковых структурах при радиационном воздействии, особенностями которого является введение дополнительных механизмов рассеяния на радиационных дефектах и учет энергетического распределения ионизованных носителей заряда. Показано, что при использовании полученных в диссертации зависимостей времен релаксации энергии и импульса от флюенса радиационного воздействия отличие результатов расчета в квазигидродинамическом приближении и методом Монте-Карло составляет менее 20 %.

2. Результаты исследований комплексного гамма-нейтронного воздействия на субмикронные полупроводниковые структуры, показывающие, что при ионизации полупроводникового материала происходит разогрев электронного газа, изменение заселенности долин и уменьшение дрейфовой скорости носителей заряда. Воздействие ионизирующего излучения на структуры с радиационными дефектами приводит к увеличению дрейфовой скорости носителей заряда, первоначальное уменьшение которой было вызвано рассеянием на СКРД.

3. Экспериментальные данные и теоретический анализ поглощения ИК излучения в структурах транзисторов, которые показали, что вблизи заостренного металлического затвора происходит локальное выделение энергии излучения в нанометровых объемах, существенно меньших длины волны.

4. Результаты анализа радиационной стойкости GaAs квазибаллистического полевого транзистора с затвором Шоттки и длиной канала 0,05.0,1 мкм.

5. Данные об эффекте дальнодействующего ионно-лучевого геттерирования в структурах ПТШ, проявляющегося на внутренних границах раздела и приводящего к модификации электрофизических свойств эпитаксиальных слоев GaAs как в вертикальном, так и в латеральном направлении, а также повышающего радиационную стойкость субмикронных полевых транзисторов.

6. Материалы экспериментов по измерению электрофизических свойств про-тонированного GaAs при нейтронном воздействии, которые показывают, что за счет перестройки примесно-дефектной структуры фоточувствительность полупроводникового слоя слабо меняется при наборе нейтронного флюенса до значений порядка 1014см*2.

Объем и структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Объем диссертации составляет 292 страницы, включая 275 страниц основного текста, 142

Выводы к главе 5

1. Использование процесса магнетронного напыления затвора совместно с электронным облучением мощного субмикронного ПТШ потоком электронов позволяет улучшить высокочастотные параметры транзистора и повысить его радиационную стойкость.

2. Использование процедуры отжига полупроводникового прибора протекающим током позволяет частично восстановить характеристики субмикронного ПТШ после радиационного воздействия.

3. При использовании специального технологического маршрута надежность и радиационная стойкость субмикронных полевых транзисторов с затвором Шоттки повышается.

4. В структурах GaAs субмикронных ПТШ возможно проявление обычного и латерального эффекта дальнодействия при ионно-лучевом облучении обратной (подложечной) стороны структуры. В условиях эффекта дальнодействия изменяются электрофизические характеристики эпитаксиальных слоев - подвижность и распределение концентрации легирующей примеси на границе раздела канал-буферный слой. Эффект дальнодействия объясняется перестройкой примесно-дефектной системы структур, инициируемой упругими волнами, возбуждаемыми ионами. Благодаря усилению этих волн в областях скопления дефектов эффект может проявляться на расстояниях превышающих пробег ионов на 2.3 порядка.

5. Процедура дальнодействующего ионно-лучевого геттерирования улучшает высокочастотные параметры транзистора, увеличивает выход годных приборов и повышает радиационную стойкость мощных полевых транзисторов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основным научным результатом диссертации является создание рас-г четно-экспериментальных методов моделирования воздействия нейтронного, протонного и гамма-излучения на субмикронные (вплоть до 0,05.0,1 мкм) GaAs полупроводниковые приборы, что позволило решить важную народнохозяйственную задачу определения и обеспечения радиационной стойкости перспективной элементной базы устройств связи и систем управления объектов специального назначения (в том числе военной техники) при улучшении технико-экономических и эксплуатационных характеристик.

Основным теоретическим результатом диссертации является создание расчетно-экспериментальных методов моделирования воздействия нейтронного, протонного и гамма-излучений на субмикронные (вплоть до 0,05.0,1 мкм) полупроводниковые приборы с использованием комплексной модели, позволяющей: 1) анализировать процессы образования и стабилизации кластеров радиационных дефектов и точечных дефектов, ионизации в многослойных (с нанометровой толщиной слоев) твердотельных структурах; 2) моделировать процессы квазибаллистического транспорта л электронов в субмикронных структурах с радиационными дефектами и рассчитывать параметры полупроводниковых материалов; 3) учитывать неоднородности энерговыделения при поглощении радиационного излучения, приводящие к неравновесным эффектам на границах нанометровых слоев твердотельных структур приборов; 4) рассчитывать статические и высокочастотные характеристики субмикронных полупроводниковых приборов при радиационном воздействии, включая нестационарные про-^ цессы в момент и непосредственно после радиационного импульса.

Частные теоретические результаты, полученные по теме диссертации:

1. Определены доминирующие механизмы деградации электрофизических параметров субмикронных арсенидгаллиевых структур при радиационном воздействии. Показано, что благодаря высокой средней энергии электроны могут проникать между отдельными частями (субкластерами) кластеров радиационных дефектов. В результате расчетов методом Монте-/»v Карло и дополнительного обобщения экспериментальных данных (известных из литературы и оригинальных) получены характерные размеры кластеров радиационных дефектов в Si и GaAs, их распределение в пространстве и форма, рассчитаны характерные размеры областей пространственного заряда. Анализ процессов стабилизации КРД выявил порог образования стабильного субкластера в КРД. Показано, что КРД состоит из плотных субкластеров с характерными размерами 4. 15 нм, а расстояние между ними имеет величину 3.20 нм. Последнее обуславливает проникновение горячих электронов между субкластерами в КРД, что приводит к преобладанию этого эффекта в квазибаллистическом ПТШ над механизмами, доминирующими в приборах с микронными топологическими нормами (изменение концентрации и подвижности электронов).

2. На основе метода Монте-Карло разработана модель транспорта носителей заряда в субмикронных полупроводниковых структурах, содержащих радиационные дефекты различных размеров (от точечных до нано-метровых непрозрачных включений кластеров радиационных дефектов) учитывающая разогрев электронного газа в момент облучения потоком гамма-квантов, а также в больших электрических полях (~100 кВ/см), характерных для субмикронных приборов. Рассчитано изменение зависимостей времен релаксации энергии, импульса и коэффициента диффузии электронов при радиационном облучении. В результате моделирования транспорта электронов в субмикронных полевых транзисторах показано, что при облучении полупроводниковых структур с размерами меньше длины релаксации энергии (меньше 0,5 мкм) из-за генерации неравновесных носителей заряда электронный газ разогревается, что влияет на транспорт электронов в таких структурах. Функция распределения электронов в этом случае имеет близкий к максвелловскому вид, а средняя энергия ионизованных электронов составляет 0,24 эВ. Показано, что наиболее сильно

Y подобный эффект проявляется в твердотельных структурах транзисторов с длиной канала 0,05.0,1 мкм, где ионизованные горячие электроны не успевают остыть вплоть до их втягивания в контакты.

3. Созданы двумерные нестационарные физико-топологические модели субмикронных полевых транзисторов в квазигидродинамическом приближении с учетом радиационного воздействия. Разработана трехмерная модель переноса тепла в структурах субмикронных многосекционных ПТШ средней мощности. На базе этих моделей разработаны методы расче

К та деградации частотных и шумовых характеристик полевых транзисторов. Разработана модель субмикронных полевых транзисторов, объединяющая метод Монте-Карло, квазигидродинамическое приближение и метод эквивалентной схемы. Модели реализованы в виде программ численного моделирования. Экспериментальная апробация модели показала, что оптималь-г ное сочетание методов позволяет рассчитывать процессы в субмикронных

GaAs структурах и полупроводниковых приборах с высокой точностью (20%), в том числе при облучении структур нейтронным, протонным и гамма-облучением.

4. В результате теоретических расчетов показано, что для моделирования процессов в субмикронных структурах GaAs полевых транзисторов необходимо учитывать изменение времён релаксации энергии и импульса электронов, а также разогрев электронного газа при воздействии на структуры протонного, нейтронного и гамма-излучения. Проведен сравнительный анализ радиационной стойкости полевых транзисторов с длиной канала 0,1; 0,25; 0,5; 1; 5 и 50 мкм. Показано, что локально-полевое приближение адекватно описывает процессы в полевых транзисторах с длиной канала 3.4 мкм и более, а квазигидродинамическое приближение справедливо для любых длин канала. Проведено моделирование нестационарных процессов в субмикронных транзисторах в момент и непосредственно после радиационного воздействия. Показано, что на процесс восстановления высокочастотных свойств транзисторов большую роль оказывают процессы перезарядки глубоких энергетических уровней, вводимых в субмикронные структуры транзисторов во время технологических операций и при облучении нейтронным и протонным излучением.

5. Теоретически и экспериментально исследованы эффекты усиления мощности дозы и флюенса в многослойных композициях подзатворного узла субмикронных полевых транзисторов с характерными толщинами слоев 5.50 нм. Показано, что наличие золотого затвора приводит к неравновесным процессам на границе раздела Au-GaAs, которые увеличивают неоднородность энерговыделения в 3.4 раза. Показано, что благодаря неоднородному дефектообразованию и эффекту усиления флюенса, при нейтронном облучении квазибаллистических полевых транзисторов в канале транзистора формируются наноразмерные отверстия между радиационными дефектами. Перестройка процесса движения электронов через дефектную структуру может в некоторых случаях приводить к улучшению параметров транзисторов в 1,5.2 раза за счет квантово-механических процессов прохождения электронов через наноразмерные отверстия.

6. С целью обеспечения заданных уровней радиационной стойкости разработана технология дальнодействующего ионно-лучевого геттерирования, повышающая радиационную стойкость субмикронных полевых транзисторов. В результате исследования влияния ионно-лучевого и лазерного дальнодействующего геттерирования на электрические характеристики GaAs n+nn" структур с изготовленными на них полевыми транзисторами с затвором Шоттки, показано, что сходство процессов геттерирования при воздействии ионно-лучевого и лазерного излучений объясняется аналогичными механизмами генерации упругих волн в полупроводниковой структуре, приводящих к модификации границ раздела эпитаксиальный слой - подложка и металл-полупроводник в исследуемых структурах. Комплексное нейтронное и лазерное облучение субмикронных структур квазибаллистических ПТШ с длиной канала 0,05.0,1 мкм позволяет создать в канале транзисторов особую структуру радиационных дефектов, при которой отрицательная дифференциальная проводимость транзистора сохраняется, а высокочастотные свойства транзистора улучшаются.

Основным практическим результатом диссертации является разработка научно-методического обеспечения методов расчетно-экспе-риментального моделирования, оценки и обеспечения уровня стойкости перспективных субмикронных (вплоть до 0.05.0,1 мкм) полупроводниковых приборов к воздействию непрерывного и импульсного нейтронного, протонного и гамма-излучения.

Частные практические результаты: 1. Предложен комплексный . подход к исследованию электрофизических параметров субмикронных структур полевых транзисторов, который позволил получить достоверные результаты и оценить вклад неоднородностей и границ раздела в процессы взаимодействия радиационного излучения со структурами. Экспериментально исследовано влияние импульсного гамма- и нейтронного излучений на нестационарные процессы генерации, быстрого отжига, перестройки и перезарядки дефектов различной природы, приводящие к изменению пар^йрдасжр9шур1Б1В1аА§1рв0в.протонная обработка GaAs, позволяющая использовать подобную структуру в качестве радиационно-стойкого фотодетектора. Исследованы процессы комплексного протонно-нейтронного и гамма-протонного воздействия радиационного излучения на характеристики радиационно-стойких фотодетекторов. Показано, что благодаря перестройке структуры глубоких уровней в структуре фоточувствительность сохраняется неизменной в диапазоне флюенсов до 10,4см"2.

3. Экспериментально исследованы процессы в субмикронных и квазибаллистических полевых транзисторах при протонном, нейтронном и гамма-облучении. Проведены измерения деградации статических (ВАХ, крутизна, емкости) и динамических (коэффициенты усиления и шума) параметров субмикронных (в том числе с длиной канала 0,05.0,1 мкм) транзисторов при радиационном облучении.

4. Экспериментально показано, что в режиме междолинной генерации квазибаллистический полевой транзистор (с длиной канала 0.05.0.1 мкм) имеет на порядок меньшую чувствительность к радиационному облучению, чем классический диод Ганна. В режиме усиления подобный транзистор продемонстрировал стойкость к нейтронному облучению вплоть до

1 ^ О S

3.5-10 см", к дозе гамма-облучения до 10 Гр, и к мощности дозы гамма-облучения свыше 3-1010Гр/с.

5. На основе экспериментальных данных показано, что благодаря дифракции оптического излучения на острие V-образного затвора квазибаллистического ПТШ удается локализовать энерговыделение излучения в областях, существенно меньших длины волны, и модифицировать область канала транзистора, в том числе при наличии в ней радиационных дефектов.

6. Экспериментально апробирована технология магнетронного напыления затвора мощного субмикронного ПТШ с последующей дополнительной обработкой поверхности GaAs между затвором и стоком электронным облучением, позволяющая улучшить высокочастотные параметры и радиационную стойкость транзистора в 2 и более раз.

7. Экспериментально апробирована процедура дальнодействующего ионно-лучевого геттерирования, улучшающая высокочастотные параметры и радиационную стойкость мощных субмикронных полевых транзисторов в 2.3 раза.

8. Результаты диссертации использованы в ННГУ при постановке учебных курсов «Твердотельная электроника», «Моделирование полупроводниковых приборов» и при подготовке лабораторного практикума по курсу «Физика полупроводниковых приборов».

А.

1. Пожела Ю. Физика быстродействующих транзисторов. - Вильнюс: Мокслас, 1989. - 264 с.

2. Мырова JI.O., Чепиженко А.В. Обеспечение стойкости аппаратуры связи к ионизирующим и электромагнитным излучениям. -М.: Радио и связь, 1988.-296 с.

3. Агаханян Т.М., Аствацатурьян Е.Р., Скоробогатов П.К. Радиационные эффекты в интегральных микросхемах. М.: Энергоатомиздат, 1989.-256 с.

4. Аккерман А.Ф., Грудский М.Я., Смирнов В.В. Вторичное электронное излучение из твердых тел под действием гамма-квантов. М.: Энергоатомиздат, 1986. - 168 с.

5. Оболенский С.В. Моделирование радиационного воздействия на характеристики полупроводниковых структур: Дис.канд. физико-матем. наук: 01.04.10, 05.27.01 / С.В.Оболенский Н.Новгород, 1995. - 163 с.

6. Бете X. А., Ашкин Д. Экспериментальная ядерная физика. М.: Изд. иностр. лит., 1955. - 142 с.

7. Демарина Н.В. Электронный транспорт в GaAs структурах при радиационном воздействии: Дис.канд. физико-матем. наук: 01.04.10 / Н.В. Демарина-Н.Новгород, 2000. 160 с.

8. Вавилов B.C. Действие излучений на полупроводники. М.: Физмат-гиз, 1963. - 264 с.

9. Эберт Г. Краткий справочник по физике. М.: Физматгиз, 1963. -552 с.

10. Аккерман А.Ф., Никитушев Б.М., Ботвин В.А. Решение методом Монте-Карло задач переноса быстрых электронов в веществе. Алма-Ата: Наука, 1972. - 163 с.

11. Вавилов B.C., Кекелидзе Н.П., Смирнов JT.C. Действие излучений на полупроводники. М.: Наука, 1988. - 192 с.

12. Вавилов B.C., Ухин Н.А. Радиационные эффекты в полупроводниках и полупроводниковых приборах. М.: Атомиздат, 1969. - 311 с.

13. Коноплева Р.Ф., Остроумов В.Н. Взаимодействие заряженных частиц высоких энергий с германием и кремнием. М.: Атомиздат, 1975.- 128 с.

14. Винецкий B.JL, Холодарь Г.А. Радиационная физика полупроводников. Киев: Наукова думка, 1979. - 332 с.

15. Корбетт Дж., Бургуэн Ж. Дефектообразование в полупроводниках // Точечные дефекты в твердых телах / Под ред. Болтакса Б.И. М.:1. Мир, 1979.-379 с.

16. Коршунов Ф.П., Богатырев Ю.В., Вавилов В.А. Воздействие радиации на интегральные микросхемы. М.: Наука и техника, 1986. -254 с.

17. Дине Д., Виньярд Д. Радиационные эффекты в твердых телах. М.: Изд. иностр. лит., 1960. - 243 с.

18. Ланг Д. Радиационные дефекты в соединениях AinBv // Точечные дефекты в твердых телах / Под ред. Болтакса Б.И. М: Мир, 1979. -379 с.

19. Коноплева Р.Ф., Литвинов В.Л., Ухин Н.А. Особенности радиационного повреждения полупроводников частицами высоких энергий. М.: Атомиздат, 1971. - 176 с.

20. Радиационные методы в твердотельной электронике. / Вавилов B.C.,1. Л г

21. Горин Б.М., Данилин Н.С. и др. М.: Радио и связь, 1990. - 184 с.тГ

22. Физические процессы в облученных полупроводниках. / Под ред. Смирнова JI.C. Новосибирск: Наука, 1977. - 253 с.

23. Голанд А. Современное изучение точечных дефектов в металлах. Избранные вопросы // Точечные дефекты в твердых телах / Под ред. Болтакса Б.И. М.: Мир, 1979. -379 с.

24. Аствацатурьян Е.Р., Громов Д.В., Ломако В.М. Радиационные эффекты в приборах и интегральных схемах на арсениде галлия. -Минск: Университетское, 1992. 219 с.

25. Томсон М. Дефекты и радиационные повреждения в металлах. М: Мир, 1971.-367 с.

26. Biersak J.P. Computer simulation of sputtering // Nuclear instruments and methods in physic research. 1987. - № 1. - P. 21-36.

27. Оболенский C.B. Моделирование структуры кластера радиационных дефектов в полупроводниках при нейтронном облучении // Изв. вузов: Электроника. 2002. - № 6. - С. 67-71.

28. Bertolotti М. Characteristics of the desodering region in the semiconductors // J. Appl. Phys. 1967. - № 12. - P. 2645-2649.

29. Mitchell E.W., Norris C.J. Characteristics of the defects in the semiconductors // Phys. Soc. Simp., Japan, 1966, 1966. - P. 2992-2993.

30. Point Defects in GaAs Irradiated with Fast Neutrons / Dlulbek C., Dlubek A., Krause R., Brummer O. // Phys. Stat. Sol. 1988. - № 1. -P. 111-115.

31. Кладько В.П., Пляцко В.П. О влиянии легирующей примеси на процесс формирования разупорядоченных областей в GaAs при облучении быстрыми нейтронами // ФТП. 1998. - № 3. - С. 261-265.

32. Gossik B.R. Disordered region in semiconductors bombarded by fast neutron // J.Appl. Phys. 1954. - № 9. - P. 1214-1218.

33. Демарина Н.В., Оболенский С.В. Электронный транспорт в нано-метровых GaAs структурах при радиационном воздействии // ЖТФ. -2002.-№1.-С. 66-71.

34. Brudnyi V.N., Grinyaev S.N., Stepanov V.E. Radiation defects in the semiconductor epitaxial layer // Physica B: Condens. Matter. 1995. - № 4.-P. 429-431.

35. Зулиг P. Радиационные эффекты в ИС на GaAs // Арсенид галлия в микроэлектронике / Под ред. Айнспрука Н., Уиссмена У. М.: Мир, 1988.-С. 501-547.

36. Першенков B.C., Попов В.Д., Шальнов А.В. Поверхностные радиационные эффекты в элементах интегральных микросхем. М.: Энер-гоатомиздат, 1988. - 256 с.

37. Ладыгин Е.А. Действие проникающей радиации на изделия электронной техники. М.: Сов.радио, 1980. - 224 с.

38. Коршунов Ф.П., Богатырев Ю.В., Вавилов В.А. Воздействие радиации на интегральные микросхемы. М.: Наука и техника, 1986. -254 с.

39. Шур М. Современные приборы на основе арсенида галлия. М.: Мир, 1991.-632 с.

40. Полевые транзисторы на арсениде галлия. / Под ред Ди Лоренцо Д.В., Канделуола Д.Д. М.: Радио и связь, 1988. - 496 с.

41. Оболенский С.В., Китаев М.А. Полевой транзистор с ЗО-nm затвором // Письма в ЖТФ. 2000. - № 10. - С. 13 -16.

42. Демарина Н.В., Китаев М.А., Фефелов А.Г. Влияние нейтронного и протонного излучения на скорость электронов в n-GaAs // «Радиационная физика твердого тела»: Труды VIII межнац. совещ., Севастополь, 1-4 июля 1998, М.: МГИЭМ. - 1998. - С. 161-165.

43. Оболенский С.В. Предел применимости локально-полевого и квазигидродинамического приближения при расчетно-эксперимен-тальной оценке радиационной стойкости субмикронных полупроводниковых приборов // Изв. вузов: Электроника. 2002. - № 6. -С. 31-38.

44. Новиков В.А., Пешев В.В. Влияние неоднородного распределения радиационных дефектов в GaAs на спектры DLTS // ФТП. 1998. -№4.-С. 411-416.

45. Козловский В.В., Кольченко Т.И., Ломако В.М. Влияние условий облучения на процессы дефектообразования в n-GaAs // ФТП. -1991.-№3.-С. 545-552.

46. Ion irradiation induced defects in epitaxial GaAs Layers / Arpatzanis N., Vlastou R., Konstantinidis G. et al. // Solid State Electronics. 1998. - №2.-P. 277-282.

47. Drain-current DLTS study of an GaAs/InP MESFET / Dermoul I., Kal-boussi A., Chekir F., Maaref H. // Microelectronics Journal. 2000. - №3.-P. 359-363.

48. Определение параметров глубоких уровней по дифференциальным коэффициентам вольт-амперных характеристик / Булярский С.В., Воробьев М.О., Грушко Н.С., Лакалин А.В. // Письма в ЖТФ. 1999. - № 5. - С. 22-26.

49. Оболенский С.В. Токовая спектроскопия глубоких уровней в n-GaAs на основе анализа ВАХ полевых транзисторов // Новые промышленные технологии. 2001. - № 2-3. - С. 29-32.

50. Демарина Н.В., Оболенский С.В., Скупов В.Д. Новый метод исследования быстропротекающей релаксации радиационных дефектов в полупроводниковых материалах // Известия РАН: сер. Физическая. -2000.11.-С. 2162-2167.

51. Козловский В.В., Козлов В.А., Ломасов В.Н. Модифицирование полупроводников пучками протонов // ФТП. 2000. - № 2. - С. 129-147.

52. Proton irradiation of n-type GaAs / Goodman S.A., Auret F.D., Ridgway M., Myburg G. // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B.- 1999.-№4.-P. 446-449.

53. У 56. Goodman S.A., Auret F.D., Meyer W.E. Radiation defects in GaAs // Nucl. Instr. And Meth. B. 1994. - № 3. - P. 349-351.

54. Брудный B.H., Потапов А.И. Электронные свойства GaAs<Cr> облученного протонами // ФТП. 2001. - № 12. - С. 1423-1427.

55. Оболенский С.В. Неаддитивность дефектообразования при последовательном протонном и нейтронном облучении GaAs // ФизХОМ. -2001,-№2.-С. 5-6.1. Л,

56. Исследование характеристик фотоуправляемого GaAs фотопереключателя / Киселев В.К., Оболенский С.В., Семьин Г.Н. и др. // Новые промышленные технологии. 2001. - № 2-3. - С. 47-49.

57. Исследование характеристик GaAs фотопереключателя / Киселев

58. B.К., Оболенский С.В., Семьин Г.Н. и др. // ВАНТ, сер. Воздействие радиационного излучения на РЭА. 2001. - № 1-2. - С. 145-148.

59. Determination of the EL2 introduction rate and Fermi-level shift due to proton and pion irradiation in semi-insulating GaAs / Rogala M., Battke M., Duda N. et al. // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B. 1998. - № 1. - P. 53-60.

60. Демарина H.B., Оболенский C.B. Электронный транспорт в нано-метровых GaAs структурах при облучении гамма-квантами // ВАНТ, сер. Воздействие радиационного излучения на РЭА. 2001. - № 1-2.1. C. 66-68.

61. Демарина Н.В., Оболенский С.В. Разогрев электронного газа в субмикронных структурах быстрыми электронами, инжектированными из металла // ФизХОМ. 2001. - № 1. - С. 20-23.

62. Оболенский С.В., Павлов Г.П. Влияние нейтронного и космического излучения на характеристики полевого транзистора с затвором Шоттки // ФТП. 1996. - № 3. - С. 413-420.

63. Оболенский С.В. Неаддитивность дефектообразования при последовательном протонном и нейтронном облучении GaAs // ФизХОМ. -2001.-№2.-С. 5-6.

64. Бонч-Бруевич В.Л., Калашников С.Г. Физика полупроводников. -М.: Наука, 1977. -672 с.

65. Ансельм А.И. Введение в теорию полупроводников. М.: Наука, 1978.-616 с.

66. Хокни Р., Иствуд Дж. Численное моделирование методом частиц. -М.: Мир, 1987.-640 с.

67. Fawsett W., Boardman D.A., Swain S. Monte Carlo determination of electron transport properties in gallium arsenide // J. Phys. Chem. Solids. 1970.-№11.-P. 1963-1974.

68. Пожела Ю. Диффузия горячих электронов. Вильнюс: Мокслас, 1981.-212 с.

69. Пешев В.В., Смородинов С.В. Высокотемпературное облучение ар-сенида галлия // ФТП. 1997. - № 10. - С. 1234-1235.

70. Демарина Н.В., Оболенский С.В. Исследование электрофизических характеристик n-GaAs после нейтронного воздействия // Тез. докл. XI Межд. школы по СВЧ электронике и радиофизике, Саратов, 1999. Саратов: СГУ. - 1999, - С. 29-30.

71. Вайдер Г. Ограничения, накладываемые границами раздела, на архитектуру полевых транзисторов с затворами Шоттки и МДПтранзисторов // Научн. техн. сб. Арсенид галлия в микроэлектронике под ред У.Уисменна и Н. Айнспрука. М.: Мир, 1988. - 557 с.

72. Ван-дер-Зил А. Шум. Источники. Описание. Измерение. М. :Сов. радио, 1973. - 176 с.

73. Fukui Н. Optimal noise figure of microwave GaAs MESFET's // IEEE Trans. 1979. - № 7. - P. 1032-1037.

74. Численное моделирование шумовых процессов в полевом транзисторе с затвором Шоттки / Демиховский В.Я., Дутышев В.Н., Павлов Г.П. и др. // Микроэлектроника. 1989. - № 4. - С. 372-374.

75. Reiser М. On the stability of finite difference schemes in transient semiconductor problems // Comput Meth. Appl. Mech. Eng. 1973. -№ 2. - P. 65-68.

76. Hatsuaki F. Optimal noise figure of microwave GaAs MESFET's // IEEE Trans. 1979. - № 7. - P. 1032-1036.

77. Павлов Г.П. Электрические характеристики полевых транзисторов с различной длиной затвора // Микроэлектроника. 1987. - № 3. -С. 284-285.

78. Оболенский С.В., Демарина Н.В. Моделирование воздействия ионизирующего излучения на полевой транзистор с затвором Шоттки // Зарубежная радиоэлектроника. 1997. - № 4. - С. 66-80.

79. Obolensky S.V., Demarina N.V. Modeling of Ionizing Irradiation Influence on Schottky-Gate Field-Effect Transistor // Microelectronics Reliability. 1999. - № 8. - P. 1247-1263.

80. Барышников В.И., Колесникова Т.А. Возбуждение собственных дефектов в ионных кристаллах мощными оптическими и электронными пучками // ФТТ. 1998. - № 16. - С. 1030-1035.

81. Jong-Lam Lee, Jae Kyoung Mun, Haecheon Kim. A new self-aligned * and T-haped gate tehnology for GaAs power MESFET's // Solid-State

82. Electronics. 1998. - № 11. - P. 2063-2068.

83. Wang Y.J., Lu S.S. Two-dimensional simulation for the GaAs V-roove gate MESFET's // Solid-State Electronics. 1999. - № 2. - P. 229-244.

84. Оболенский С.В., Китаев М.А. Отрицательная дифференциальная проводимость квазибаллистического полевого транзистора // Мику роэлектроника. 2001. -№ 6. - С. 459-465.

85. Battistoni G., Camin D.V., Fedyakin N. Neutron irradiation of cold GaAs devices and circuits made with an ion-implanted monolithic process // Nuclear instruments and methods in physics research A. -1997.-№3.-P. 399-407.

86. Оболенский C.B., Китаев М.А. Исследование процессов генерации в баллистическом полевом транзисторе // Микроэлектроника. -2001. -№1. с. 10-15.

87. Оболенский С.В., Демарина Н.В. Моделирование радиационной стойкости диода Ганна // Наука производству. - 1998. - № 12. - С. 12-16.

88. Adair R. Neutron effective absorption cross-section of elements // Rev. Mod. Phys. -1980. № 2. - P. 249-259.

89. Физика быстрых нейтронов / Под ред. Мариона Дж., Фаулера Дж. -М.: Атомиздат, 1966. 517 с.

90. Григорьев И.С., Мейлихов Е.З. Физические величины. М.: Энер-гоатомиздат, 1991. - 1232 с.

91. Моделирование процессов взаимодействия мягкого гамма-излучения с веществом / Оболенский С.В., Демарина Н.В., Киселев В.К. и др. // Новые промышленные технологии. 1999. - № 1-2. - С. 55-67.

92. Оболенский С.В., Тресков С.А. Возникновение квантово-размерных отверстий в канапе полевого транзистора при нейтронном облучении // Научно-техн. сб. «Современные проблемы радиофизики». Н. Новгород: ННГУ. - 2001 - С. 75-76.

93. Fabrication of quantum dot transistors incorporating a single self-assembled quantum dot / Jung S.W., Hwang D., Ahn J.H. et. al. // Physica E. 2000. - № 4. - P. 430-434.

94. Hiroshi Okada, Hideki Hasegawa. Characteristics of GaAs Schottky in-plane gate quantum wire transistors for switching of quantized conductance // Physica B. 1999. - № 1. - P. 123-126.

95. Баллистическая проводимость квантово проволоки при конечных температурах / Багряев J1.T., Иванов В.К., Клячкин JI.E. и др. // ФТП. 2000. - № 6. - С. 737-741.

96. Михайловский В.В., Рассел К.С., Сугаков В.И. Образование сверхрешеток плотности дефектов при ядерном облучении // ФТТ. -2000.-№3.-с. 471-477.

97. Демиховский В.Я., Вугальтер Г.А. Физика квантовых низкоразмерных структур. М: Логос, 2000. - 247 с.

98. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. М: Наука, 1982.-475 с.

99. Ваганов Р.Б., Каценеленбаум Б.Э. Основы теории дифракции. М: Наука, 1982.-283 с.

100. Фелсен Л., Маркувиц Н. Излучение и рассеяние волн. М: Мир, 1978.-428 с.

101. Palik Е. Handbook of optical constants of solids. L.: Academic press, 1985. - 687 p.

102. Козлов В.А., Оболенский C.B., Китаев M.A. Нанометровая модификация материала методом электродинамической локализации оптического излучения // Письма в ЖТФ. 2001. - № 19. - С. 32-38.

103. Воздействие оптического излучения на баллистический полевой транзистор с нанометровым затвором / Козлов В.А., Оболенский С.В., Китаев М.А., Демарина Н.В. // Микросистемная техника. -2001.-№4.-С. 26-28.

104. Рейви К. Дефекты и примеси в полупроводниковом кремнии. М.: Мир, 1984.-256 с.

105. В.Л.Левшунова, В.А.Перевощиков, В.Д.Скупов Современные методы геттерирования примесей и дефектов в полупроводниковых структурах // Деп. в ВИНИТИ, № 3450-В98 от 25.11.98.

106. Влияние упругих волн возникающих при ионной бомбардировке на структурное совершенство полупроводниковых кристаллов / Павлов П.В., Семин Ю.А., Скупов В.Д., Тетельбаум Д.И. // ФТП.1986.-№3.-С. 503-507.

107. Скупов В.Д., Тетельбаум Д.И., Шенгуров В.Г. Влияние протяженных дефектов в исходных кристаллах на эффект дальнодействия при ионной имплантации // Письма в ЖТФ. 1989. - № 22. - С. 4447.

108. Скупов В.Д., Тетельбаум Д.И. О влиянии упругих напряжений на трансформацию скоплений дефектов в полупроводниках // ФТП.1987.-№8.-С. 1495-1496.

109. Павлов П.В., Скупов В.Д., Тетельбаум Д.И. // Физ. и хим. обработки материалов. 1987. - № 6. - С. 19-21.

110. Оболенский С.В., Скупов В.Д. Влияние ионно-лучевого геттерирования на параметры GaAs-транзисторных структур при нейтронном облучении // Письма в ЖТФ. 2000. - № 15. - С. 1-5.

111. Оболенский С.В., Скупов В.Д. Особенности проявления эффекта дальнодействия в арсенидгаллиевых транзисторных структурах при комбинированном облучении ионами различных масс // Письма в ЖТФ. 2003. - № 2. - С. 30-34.

112. Киселев В.К., Оболенский С.В., Скупов В.Д. Влияние внутреннего геттера в кремнии на параметры структур Au-Si // ЖТФ. 1999. -№6.-С. 129-131.

113. Оболенский С.В., Скупов В.Д. Эффект дальнодействия при радиационных воздействиях на полупроводниковые структуры с внутренними границами раздела // Поверхность. 2000. - № 5. - С. 75-79.

114. Патент РФ на изобретение № 2176422 «Способ геттерирующей обработки эпитаксиальных слоев полупроводниковых структур» от 28.06.01. // Киселев В.К., Оболенский С.В., Скупов В.Д.

115. Патент РФ на изобретение № 2156520 «Способ контроля структурного совершенства монокристаллических полупроводниковых пластин» от 21.04.00. // Киселев В.К., Оболенский С.В., Скупов В.Д.

116. Оболенский С.В., Скупов В.Д., Фефелов А.Г. Проявление эффекта дальнодействия в ионно-облученных транзисторных структурах на основе GaAs // Письма в ЖТФ. 1999. - № 16. - С. 50-54.

117. Бочарова И.А. Диссертация на соискание ученой степени: Дис. . канд. техн. наук. Минск: Минский госунивер., 1989. - 135 с.

118. Byun Y.H., Shur M.S., A.Peczalski Gate voltage dependence of source and drain series resistances and effective gate length in GaAs MES-FET's // IEEE Trans. On El. Dev. 1988. - № 8. - P. 1241-1246.

119. Chen D.R., Cooke H.F. Long term stabilisation of GaAs MESFET's // Microwave J. 1975. - № 11. - P. 60-61.

120. Irie I., Cooke H.F. Reliability study of GaAs MESFET's // IEEE Trans. On MTT. 1976. - № 6. - P. 321-323.

121. Iton Т., Janai H., Stability of performance and interfacial problems in GaAs MESFET's // IEEE Trans. On El. Dev. 1980. - № 6. - P. 10371045.

122. Iton Т., Janai H. Long term drift of GaAs MESFET's chaeacteristics and it's dependance on substrate with bufer layer // «GaAs and Ralat Com-paunds»: Proc. int. symp., St. Jones, 1978, 1979. - P. 326-334.

123. Reverce currents of shottky gates of III-V MESFET/HEMTs: field emission and tunnel currents / Saburo Takamiya, Masaya Harayama, Tomoyuki Sigimura et al. // Solid State Electronics. 1998. - № 3. - P. 447-451.

124. Cocot C., Stolte C.A. Bacgating in GaAs MESFET's // IEEE Trans. On El. Dev. 1982. - № 7. - P. 1059-1064.

125. Костылев С.А., Прохоров Е.Ф., Уколов A.T. Явления токопереноса ** в тонкопленочных GaAs структурах. Киев: Наукова Думка, 1990,-134 с.

126. Colio F.M. Study of performance drifts in GaAs FET's // IEEE Trans. On El. Dev. 1988. - № 7. - P. 339-342.

127. Shenoi K., Dutton R.W. Channel-buffer (substrate) interface phenomena in GaAs MESFET's // IEEE Trans. On El. Dev. 1988. - № 5. - P. 590594.

128. Reliability of compaund semiconductor microwave field effect devices: failure mechanisms and test methods / Clerico G., Titinet Т., Pollino Т., Riva D.E. // Microelectronics J. 1990. - № 6. - P. 33-41.

129. Bru C., Carne P., Dansas P. Surface charge effects in planar submicro-meter GaAs and InP devices // IEEE Trans. On El. Dev. 1987. - № 8. -P. 1611-1616.

130. Irie Т., Nagasako I., Kohzu H. Reliability study of GaAs MESFET // IEEE Trans. On MTT. 1976. - № 6. - P. 321-328.

131. Галанихин Г.А. Особенности изготовления затворной металлизации на GaAs // Электронная техника, сер. Электрон. СВЧ. 1989. -№ 6. - С. 58-59.

132. Richter К., Froess P. Reliability of special MESFET's // Int. El. Dev. Meeting, Washington, 5-6 December 1978, P. 377-380.

133. DC characteristic of MESFETs at High Temperatures / Chang-Sub Won, Hyungkeun Ahn, Deuk-Young Han, et. al. // Solid-State Electronics. 1999.-№5.-P. 537-542.

134. Гольдберг Ю.А., Поссе E.A. Образование омического контакта в процессе непрерывного нагревания диодов Шоттки но основе GaAs и GaP // ФТП. 1998. - № 2. - С. 200-202.

135. Пипинис П.А., Римейка А.К., Лалейка В.А. Температурная зависимость обратного тока в диодах Шоттки // ФТП. 1998. - № 7. - С. 882-885.

136. Исмайлов К.А. Эффекты реализации внутренних напряжени в генераторных СВЧ диодах // Электр, техн., сер. Полупров. приб. -1987.-№5.-С. 23-27.

137. Горнелюк А.Т., Крюков В.Л., Фурманов Г.П. Геттерирование дефектов в GaAs эпитаксиальных слоях // Письма в ЖТФ. 1994. - № 13.-С. 60-62.

138. Власенко Е.С., Гореленок А.Т., Емцев В.В. Поверхностное геттерирование фоновых примесей и дефектов в пластинах GaAs // ФТП. 2001. - № 2. - С. 184-187.

139. Кольченко Т.И., Ломако В.М., Марончук И.Е. Наблюдение процессов миграции первичных радиационных дефектов в GaAs // ФТП. -1981. № 3. - С. 580-583.

140. Radiation defects in GaAs semiconductor layer / Aleshenko Yu.A., Bo-brova E.A., Vavilov V.S. et al. // Rad. Effects and Defects in Solid. -1993.-№3.-P. 323-325.

141. Ушаков В.В., Гипиус А.А., Гукасян A.M. Об эффекте «дальнодействия» при ионной имплантации GaAs // Микроэлектроника. -1995.-№3.-С. 189-192.

142. Мильвидский М.Г., Освенский В.Б. Структурные дефекты в монокристаллах полупроводников. М.: Металлургия, 1984, 256 с.

143. Перестройка дефектов полупроводниковых структур стимулированные химическими реакциями на поверхности кристалла / Вят-кин А.Ф., Итальянцев А.Г., Конецкий Ч.В., и др. // Поверхность. -1986.-№11.-С. 67-73.

144. Влияние химически-стимулированного введения вакансий в GaAs на свойства ионно-легированных кремнием слоев / Итальянцев А.Г„ Митюхяев В.Б., Пащенко П.Б., Файфер В. // Поверхность. -1988. -№ 11.-С. 93-98.

145. Карзанов В.В., Перевощиков В.А., Скупов В.Д. Влияние химического травления поверхности на холловские параметры кристаллов арсенида галлия // Вестник ННГУ им. Н.И.Лобачевского. 1994. -С. 31-36.

146. Ивин А.Л., Комарова Т.В., Скупов В.Д. Контроль параметров полупроводниковых композиций в условиях релаксации ПДС после радиационного возбуждения // Труды МАИ по Отделению микроэлектроники и информатики. 1997. - № 2. - С. 333-336.