диодов и транзисторов

ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ ФИЗИКО-ТОПОЛОГИЧЕСКОЕ
МОДЕЛИРОВАНИЕ РАДИАЦИОННЫХ ЭФФЕКТОВ В
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ГЕТЕРОНАНОСТУРКТУРАХ,
ДИОДАХ И ТРАНЗИСТОРАХ НА ИХ ОСНОВЕ
С.В.Оболенский
Нижегородский госуниверситет им. Н.И.Лобачевского
А.Н.Качемцев
ФГУП ФНПЦ НИИИС им. Ю.Е.Седакова
Метод функционального физико-топологического
моделирования
Определение: Функциональное физико-топологического моделирование
– это метод расчета параметров полупроводниковых приборов с
использованием сложных детализированных моделей только для анализа
активной области диодов и транзисторов.
Важно:
1. Некоторые параметры слоев полупроводниковой структуры могут
задаваться приближенно, т.е. возможен анализ серийных (покупных)
диодов и транзисторов;
2. Часть диода или транзистора вне его активной области учитывается с
помощью метода эквивалентной схемы.
Преимущества:
1. Метод позволяет проводить анализ транспорта электронных пучков в
наногетероструктурах диодов и транзисторов;
2. Возможно создание единого подхода к моделированию спецстойкости
перспективных гетеронанокомпозиций и приборов на их основе.
План доклада
• Проблема
• Краткий обзор методик моделирования процессов в
полупроводниковых приборах и ИС в условиях
радиационного воздействия;
• Особенности учета радиационно-стимулированных
физических эффектов. Сложности при переходе к
масштабам 10…100 нм. Учет квантовых объектов;
• Моделирование и экспериментальные
исследования стойкости диодов и транзисторов с
характерными размерами активных областей
10…100 нм и встроенными квантовыми объектами;
• Резюме
Проблема малых длин приборов
Отсутствие общепризнанных математических методов расчета
транспорта электронов в приборах с длиной активной области
10…100 нм в условиях радиационного воздействия:
– Изменение функции распределения электронов по энергии при
радиационном воздействии – существенное влияние на
безстолкновителный характер движения – траекторный анализ
– Условия старта электронов на границе активной области зависят от
неоднородностей полупроводниковой структуры, в том числе и от
радиационных дефектов, их распределения в области старта
электронов и их размеров
Активная область прибора
сопоставима с длиной
релаксации импульса
Инжектор
электронов
Взаимное влияние
из-за квазибаллистического
характера движения
Коллектор
электронов
Проблема квантовых процессов
Отсутствие общепризнанных математических методов расчета
квантовых процессов (тунелирования, движения в двумерных квантовых
ямах и т.п.) в условиях радиационного воздействия:
– Характерные размеры кластеров радиационных дефектов превосходят
размеры квантовых объектов – туннельно-прозрачных барьеров, ям и точек
– Условия старта электронов на границе активной области зависят от
неоднородностей полупроводниковой структуры, в том числе и от
радиационных дефектов, их распределения в области старта электронов и их
размеров
5…15 нм
е-
Wc
Wc
е5…15 нм
Общий подход к проведению
расчетов параметров
полупроводниковых приборов
Схема взаимосвязи физических процессов в
полупроводниковых приборах и интегральных
схемах при радиационном воздействии
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 на входе и выходе интегральных схем из-за действия ЭМИ
и/или ВЭМИ;
4. Накопление зарядов в диэлектрических слоях
5. Разогрев полупроводниковых структур, диодов и транзисторов
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 диоды,
транзисторы и ИС
Задача: разработать методики
позволяющие моделировать
процессы в полупроводниковых
гетеронаноструктурах и
транзисторах
с характерными размерами
10…100 нм
при радиационном воздействии
Универсальная
блок - схема
процедуры
моделирования
радиационного
воздействия
на диоды
транзисторы и ИС
Обозначения:
 упрощенный расчет,
 расчет с минимальной
погрешностью
Особенности
физикотопологических моделей
для расчета параметров
гетеронганостурктур и
полупроводниковых приборов на
их основе
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
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)
Пакет позволяет учитывать квантовые
объекты через граничные условия в
областях старта и финиша электронов
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)
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.
Моедлирование и экспериментальные исследования
физических эффектов в перспективных диодах и
транзисторах
• Туннельно-пролетный диод (совместно с ИФМ РАН);
• SiGe светодиод (совместно с ИФМ РАН);
• GaAs диод Мотта (совместно с ИФМ РАН);
• Мощный кремниевый биполярный транзистор
(совместно с НИИИС);
• Квазибаллистический КВЧ полевой транзистор
(совместно с ФИАН)
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
Распределение электронов
по энергии в Г-долине
Скорость и энергия электронов вдоль канала
в отсутствии и при воздействии фактора 7.И1
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)
Наличие квантового объекта в
активной области транзистора –
канале – приводит к увеличению
стойкости прибора
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
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 – 0.6х6Ус (7.И7), 3 –
20х6Ус(7.И7)) и 2х6Ус(7.И1)
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 туннельно-пролетного диода
методом Монте-Карло (совместно с ИФМ РАН)
Разработана методика
моделирования процессов
туннельного и лавинного
пробоя
1 – 1 МэВ, 2 – 14 МэВ
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 транспорта горячих электронов в
диоде Мотта методом Монте-Карло
(совместно с ИФМ РАН)
Wc
Отработка методики
моделирования транспорта
электронов и параметров
приборов с характерными
размерами активных областей
10…100 нм
5 нм
100 нм
n+GaAs i-GaAs
Au
Специальный δ-слой реализующий
барьер заданной высоты
1
2
1 – 1 МэВ, 2 – 14 МэВ
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
1.
Метод функционального физико-топологического моделирования позволяет
проводить расчет уровня стойкости современных и перспективных диодов и
транзисторов с учетом квантовых и пролетных эффектов;
2.
При проведении расчета радиационно-стимулированных пролетных
электронных эффектов в приборах с длинами активных областей 10…100 нм
наиболее эффективен метод Монте-Карло, позволяющий учитывать динамику
изменения пространственно-энергетической функции
распределения электронов
3.
Учет квантовых эффектов в современных полупроводниковых диодах и
транзисторах при радиационном воздействии возможен с помощью
варьирования граничных условий, которые вводятся на основе аналитических
оценок вероятности туннелирования. Движение электронов в слое
двумерного газа в при радиационном воздействии адекватно моделируется с
помощью введения чувствительности электрофизических
параметров указанного слоя
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.
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.
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 гамма-излучения
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