Nn-obolenskiiпопулярный!

Проектирование радиационно-стойких
полупроводниковых структур и
транзисторов для GaAs монолитных
интегральных схем
С.В.Оболенский, А.П.Ятманов
ФГУП «ФНПЦ НИИИС им. Ю.Е.Седакова»
Схема взаимосвязи физических процессов в
монолитных интегральных схемах и СВЧ модулях
при радиационном воздействии
Задача: создание единой компьютерной среды для решения научных задача, обработки
эксперимента и проведения проектирования структур, полупроводниковых диодов и
транзисторов, а также монолитных интегральных схем и СВЧ модулей
Основные физические процессы:
1. Дефектообразование – возникновение точечных дефектов, их комплексов и кластеров
точечных дефектов с характерными размерами до 10…50 нм;
2. Ионизация приборных структур, сопровождающаяся разогревом электронного газа до
энергий 0.5…2 эВ;
3. Импульсы напряжения (0.1…10 В) на входе и выходе интегральных схем из-за действия
ЭМИ и/или ВЭМИ;
4. Минимизация влияния накопления зарядов в диэлектрических слоях из-за использования
затворов Шоттки вместо МДП-структур.
Задачи проектирования радиационно-стойких
полупроводниковых структур и транзисторов:
1.
Оптимизация полупроводниковой структуры с целью повышения радиационной
стойкости интегральной схемы путем оптимизации параметров транзистора;
2.
Оптимизация конструкции транзистора с целью улучшения его СВЧ параметров при
заданном уровне радиационной стойкости;
3.
Обработка результатов измерений параметров структур и транзисторов
4.
Обработка результатов специспытаний транзисторов – расчет параметров
полупроводниковых структур по изменению параметров транзисторов
Состав и возможности
пакетов программ
предназначенных для
анализа радиационного
воздействия на
монолитные интегральные
схемы
Задача: разработать методики
позволяющие использовать пакет
TCAD для моделирования
процессов в полупроводниковых
структурах и транзисторах
при радиационном воздействии
Особенности проектирования спецстойких
полупроводниковых GaAs структур и полевых
транзисторов для монолитных интегральных схем
с использованием пакета TCAD
Проектирование полупроводниковой структуры
Результат – состав полупроводниковых слоев GaAs гетеростурктур
(используется в пакете TCAD в качестве исходных данных)
Физико-топологические и электрофизические
характеристики полупроводниковых структур
Проектирование спецстойких GaAs транзисторов в пакете TCAD
Результат – конструкция прибора
SPICE параметры транзисторов
(пакет IC CAP - ?, tunner MicroWave Office - ?)
Проектирование спецстойких GaAs интегральных схем с помощью
специальных пакетов (MicroWave Office, другие пакеты)
Результат – конструкция интегральной схемы
Универсальная
блок - схема
процедуры
моделирования
радиационного
воздействия
на СВЧ
транзисторы, МИС
и модули
Обозначения:
 упрощенный расчет,
 расчет с минимальной
погрешностью
Моделирование структуры радиационных дефектов в
полупроводниковых структурах радиационно-стойких транзисторов
(пакеты TRIM и КГМ, метод Монте-Карло и квазигидродинамическое приближение)
1.Оболенский С.В. Моделирование структуры кластера радиационных
дефектов в полупроводниках при нейтронном облучении // Изв. вузов:
Электроника. – 2002. - № 6. - С. 67-71.
2. Е.В.Киселева, С.В.Оболенский Экспериментальное исследование
структуры кластеров радиационных дефектов в GaAs с помощью
квазибаллистических электронов // ФизХОМ, 2005, № 3, с.29-32
3. С.В.Оболенский Е.В.Киселева Структура кластеров радиационных
дефектов в полевых транзисторах Шоттки при нейтронном облучении
// Микроэлектроника, №5, 2006, т.35, с.371-373
Блок-схемы процедуры моделирования взаимодействия гамманейтронного излучения с полупроводниковыми структурами
полевых транзисторов
Модель поглощения потока нейтронов
Блок-схема расчета температуры кристалла
транзистора при радиационном воздействии
Аствацатурьян Е.Р., Громов Д.В., Ломако В.М. Радиационные
эффекты в приборах и интегральных схемах на арсениде галлия. Минск: Университетское, 1992. - 219 с.
Оболенский С.В., Демарина Н.В. Моделирование воздействия
ионизирующего излучения на полевой транзистор с затвором
Шоттки // Зарубежная радиоэлектроника. - 1997. - № 4. - С. 66-80.
Влияние радиационных дефектов на электрофизические
параметры GaAs (пакет МК, метод Монте-Карло)
Демарина Н.В., Оболенский С.В. Электронный транспорт в нанометровых GaAs структурах при радиационном
воздействии // ЖТФ. - 2002. - № 1. - С. 66-71.
Разогрев электронного газа в GaAs при гамма-облучении
(пакет МК, метод Монте-Карло)
1. Демарина Н.В., Оболенский С.В. Разогрев электронного газа в субмикронных структурах быстрыми электронами,
инжектированными из металла // ФизХОМ. 2001. № 1. С. 20-23.
Математическая модель полевого транзистора Шоттки в
квазигидродинамическом приближении (пакет КГМ, TCAD)
1.
2.
3.
4.
Оболенский С.В., Китаев М.А. Отрицательная дифференциальная проводимость квазибаллистического полевого
транзистора // Микроэлектроника. - 2001. – № 6. - С. 459-465.
Оболенский С.В., Китаев М.А. Полевой транзистор с 30-nm затвором // Письма в ЖТФ. – 2000. - № 10. - С. 13 –16
Оболенский С.В., Павлов Г.П. Влияние нейтронного и космического излучения на характеристики полевого
транзистора с затвором Шоттки // ФТП. - 1996. - № 3. - С. 413-420.
Оболенский С.В., Китаев М.А. Исследование процессов генерации в баллистическом полевом транзисторе //
Микроэлектроника. - 2001. - № 1. - С. 10-15.
Эффект всплеска скорости в канале полевого транзистора
(пакет МК - метод Монте-Карло, пакет КГМ – квазигидродинамическое приближение
Оболенский С.В. Предел применимости локальнополевого и квазигидродинамического приближения при
расчетно-экспериментальной оценке радиационной
стойкости субмикронных полупроводниковых приборов
// Изв. вузов: Электроника. - 2002. - № 6. - С. 31-38.
Obolensky S.V., Demarina N.V. Modeling of Ionizing Irradiation
Influence on Schottky-Gate Field-Effect Transistor
// Microelectronics Reliability. - 1999. - № 8. - P. 1247-1263.
Экспериментальные данные по реакции полевого транзистора
на радиационное воздействие
(пакет КГМ, квазигидродинамическое приближение)
А.В.Мурель, С.В.Оболенский, А.Г.Фефелов, Е.В.Киселева
Устойчивость обработанных протонами GaAs фотодетекторов к
гамма-нейтронному облучению // ФТП, 2004, т.38, вып.7, с.834-840
1. 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.
2. 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.
3. 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.
Экспериментальные методы анализа спецстойких
полупроводниковых структур
Моряшин А.В., Перов М.Ю., С.В.Оболенский, Якимов А.В. Проявление естественного старения субмикронных полевых
транзисторов на основе GaAs с затвором Шоттки в вольт-амперной характеристике и спектре 1/F-шума // Изв. ВУЗов.
Радиофизика. 2007. Т.50, №4. С. 147 - 158.
Математическое моделирование электронного транспорта
в канале транзистора методом Монте-Карло (пакет МК)
(совместно с группой В.Т.Трофимова ФИ РАН)
Траектории электронов
Скорость и энергия
электронов вдоль канала
Распределение электронов
по энергии в Г-долине
Плотность
тока в канале
транзистора
1. Радиационная стойкость квазибаллистических полевых транзисторов Шоттки с различными конструкциями буферного слоя
при воздействии нейтронного облучения разных спектров / Киселева Е.В., Оболенский С.В., Китаев М.А., В.Т.Трофимов и др. //
Письма в ЖТФ. – 2005. – № 20. – С. 58 – 64
2. С.В.Оболенский, В.Т.Трофимов, А.Г.Фефелов, М.А.Китаев Моделирование доменной генерации и радиационной стойкости
двухканального НЕМТ // Материалы XV отраслевого координационного семинара по СВЧ технике, Нижний Новгород, 2007г.,
стр. 82-86
Моделирование радиационной стойкости GaAs полевых
транзисторов с гетеробуфером (пакет КГМ)
(совместно с группой В.Т.Трофимова ФИ РАН)
Результаты исследований
стойкости МИС ГУН
(совместно с НПП Салют)
(пакет MicroWave Office)
Схема резонатора на
микрополосковой
линии
Схема измерения тока потребления и СВЧ параметров
МИС ГУН при проведении исследований уровня
радиационной стойкости
Схема генератора на полевом
транзисторе Шоттки
Схема выходного усилителя сигнала
7.И6
Результаты
измерений
7.И1
Дюков Д.И., Оболенский С.В., Фефелов А.Г. Проектирование
радиационно-стойких GaAs транзисторов, МИС и модулей СВЧ
// Материалы XV отраслевого семинара по СВЧ технике, Нижний Новгород, 2007г., стр. 82-86
Задел по моделированию физических эффектов в
перспективных диодах и транзисторах
• Фотодиод на основе протонированного GaAs (НПП
«Салют»);
• Туннельно-пролетный диод (ИФМ РАН);
• SiGe светодиод (ИФМ РАН);
• GaAs диод Мотта (ИФМ РАН);
• Мощный кремниевый биполярный транзистор
(НИИИС);
Моделирование туннельно-пролетного диода
методом Монте-Карло (совместно с ИФМ РАН)
Разработана методика
моделирования процессов
туннельного и лавинного
пробоя, пригодная для
проектирования
GaAs транзисторов
1. S.V. Obolensky, V B Shmagin, V A Kozlov, K.E.Kudryavtsev, D.Yu.Remizov and Z.F.Krasilnik A simple approach to the
simulation of impact excitation of erbium in silicon light-emitting diodes // Semicond. Sci. Technol. 21 (2006) 1459–
1463
2. V.B.Shmagin, S.V.Obolensky, D.Y.Remizov, V.P.Kuznetsov, Z.F.Krasilnik Effect of Space Charge Region Width on ErRelated Luminiscense in Reverse Biased Si:Er-Based Light Emitting Diodes // IEEE Journal of selected topics in
quantum electronics, v.12 №6, 2006, p.1556-1560
Моделирование лавинного и теплового пробоя в
мощных биполярных транзисторах
методом Монте-Карло
Зависимость скорости и энергии электронов от
координаты при развитии лавинно-теплового пробоя
коллекторного перехода мощного биполярного
транзистора в момент воздействия импульса гаммаизлучения
Модель применима
для моделирования
мощных GaAs
транзисторов
1.
А.С.Пузанов, С.В.Оболенский Особенности стимулированного излучением пробоя p-n перехода с неоднородным
легированием // Микроэлектроника, № 1, 2009 г., с 64-69.
2.
А.С. Пузанов, Е.В.Волкова, С.В. Оболенский, С.Г.Петров Применение квазигидродинамической модели для анализа
электронного транспорта в полевых и биполярных транзисторах в условиях импульсного ионизирующего излучения с
учетом повышенных температур / Труды всеросс конф. МЭС-2008, г. Москва, октябрь, 2008, с.57-59
Моделирование процессов дефектообразования,
фотолюминесценции и транспорта электронов
в Si/SiGe и Si/SiGe/Si гетероструктурах при
нейтронном воздействии (совместно с ИФМ РАН)
Спектры ФЛ многослойной
диодной структуры с Ge(Si)
островками измеренные при
комнатной температуре до
облучения (1), после облучения
электронами с различными дозами
(2 - 0.6 Мрад, 3 - 20 Мрад) и
нейтронами с флюенсом 1015 см-2
(4).. Спектры разнесены по
вертикальной оси для наглядности.
Данные могут быть использованы при разработке
методики проектирования гетеробиполярных транзисторов
1.
В.Я. Гавриленко, З.Ф. Красильник, Е.В. Волкова, К.Е. Кудрявцев, Д.Н. Лобанов, А.В. Новиков, С.В. Оболенский,
В.В. Платонов, М.В. Шалеев, А.Н. Яблонский Моделирование процессов дефектообразования в Si/SiGe и Si/SiGe/Si
гетероструктурах при нейтронном воздействии, Труды всерос. конф. Нанофотоника-2008, г. Н.Новгород, с. 420-421
2.
С.В.Оболенский, К.Е.Кудрявцев, Д.Н.Лобанов, А.В.Новиков Моделирование транспорта носителей заряда в
светодиоде с SiGe/Si(001) самоформирующимися островками с учетом процесса излучательной рекомбинации
Труды всерос. конф. Нанофотоника-2010, г. Н.Новгород
Моделирование транспорта горячих электронов в
диоде Мотта методом Монте-Карло
(совместно с ИФМ РАН)
Диод Мотта
Au
i-GaAs
n+GaAs
Специальный подслой реализующий
барьер заданной высоты
Отработка методики
моделирования
транспорта
электронов и параметров
приборов с
характерными
размерами активных
областей
10…100 нм
Н.В.Востоков, С.В.Оболенский, В.И.Шашкин моделирование транспорта горячих электронов в диоде Мотта методом
Монте-Карло // Труды всерос. конф. Нанофотоника-2010, г. Н.Новгород
Краткое резюме
• Имеющийся задел позволяет перейти к этапу
разработки методик проектирования радиационностойких GaAs полупроводниковых структур и
транзисторов для монолитных интегральных схем
• Задача
проектирования
радиационно-стойких
интегральных схем тесно сопряжена с компьютерной
обработкой результатов измерений параметров
полупроводниковых структур и транзисторов, а также
с численным анализом результатов испытаний.