Введение к работе
Актуальность темы.
Задачи, решаемые в настоящее время в радиационной физике полупроводников, связаны с двумя противоположными тенденциями [1]:
избирательным усилением эффективности воздействия излучения для направленного изменения свойств облучаемого материала в технологических целях;
ослаблением эффективности воздействия излучения на материал для предотвращения или замедления изменения его параметров, нарушающего условия эксплуатации (проблема радиационной стойкости).
В технологических процессах микроэлектроники наиболее часто применяются электронные, ионные и лазерные пучки [2]. С помощью электронных пучков проводятся активация поверхности, сплавление, отжиг с программируемым изменением температуры, микросборка. Создание резкого профиля распределения легирующей примеси оказывается возможным благодаря широкому распространению метода ионной имплантации. Задача получения однородного распределения примеси по объему полупроводника решается путем использования метода нейтронного трансмутационного легирования. Наряду с традиционными развиваются новые радиационные методы: аморфизация материала ионами, различные варианты геттерирования, радиационная отбраковка приборов. Воздействие на материал отдельных видов излучений сопровождается формированием в объеме полупроводника кластеров радиационных дефектов. С этим процессом в последние годы связывается возможность создания материалов, обладающих большим удельным сопротивлением, сочетающимся с рекордно малым временем жизни неравновесных носителей заряда, что делает такой материал чрезвычайно перспективным для создании фотоприемников и буферных слоев полевых транзисторов и интегральных схем.
Наряду с проблемами использования излучений в технологических процессах остается актуальной задача повышения устойчивости к воздействию радиации характеристик полупроводниковых приборов, функционирующих в условиях открытого космоса и на АЭС [3].
Воздействие излучения на полупроводник сопровождается, во-первых, созданием различного рода структурных нарушений в кристаллической решетке, во-вторых, генерацией неравновесных носителей заряда за счет энергии возбуждающего излучения [4]. И если следствием первого процесса являются необратимые изменения параметров материала, то во втором случае первоначальные свойства полупроводника восстанавливаются после прекращения действия излучения.
Трудности, связанные с прогнозированием изменения характеристик материала вследствие радиационного воздействия могли бы быть преодолены при
наличии достоверных моделей, описывающих транспорт носителей заряда в полупроводниковых структурах в указанных случаях.
Таким образом, необходимость разработки теоретических моделей транспорта носителей заряда в материале, как во время, так и после радиационного воздействия диктуется следующими причинами. Во-первых, в настоящее время не существует надежных методов экспериментального измерения характерне 1йк электронного потока в полупроводнике. Теоретическая модель позволяет изучать физические процессы в структуре, не вмешиваясь в ее работу, понять, каким образом осуществляется движение носителей заряда в облученных структурах, какие механизмы ответственны за характеристики материала. Во-вторых, достоверная математическая модель предоставляет возможность прогнозирования электрических свойств структуры при разработке технологической цепочки создания нового материала без проведения дорогостоящих пробных экспериментов, с целью подборов технологических режимов.
В связи с тенденцией к миниатюризации активных элементов интегральных схем размеры твердотельных структур уменьшаются до нанометровых и становятся сравнимыми с характерными длинами релаксации в электронно-дырочной плазме [5]. Для описания таких структур необходимо эффективно учитывать неравновесный и нелокальный характер электронно-дырочной плазмы. Как следствие, появилась необходимость в определении влияния радиационных дефектов на дрейфовую скорость, среднюю энергию, времена релаксации энергии и импульса электронов, функцию распределения электронов по энергиям. Актуальным становится рассмотрение транспорта носителей заряда в нанометровых структурах с неоднородностями, возникающими при радиационном воздействии и имеющими размеры порядка размеров структур.
К настоящему моменту накоплен обширный экспериментальный материал по исследованшо электрофизических характеристик основных полупроводников (Si, Ge, GaAs) для случая облучения ионами, нейтронами, электронами [6,7]. При этом теоретические модели процессов переноса носителей заряда находятся на уровне аналитических оценок, позволяющих лишь приблизительно предсказать изменение подвижности носителей заряда в слабых полях.
Исследование процессов ионизации полупроводников при радиационном воздействии ограничивалось оценкой величин фототоков и времени жизни неравновесных носителей заряда. Недостаточно изученными до настоящего времени остаются вопросы разогрева электронного газа при воздействии ионизирующих излучений, и влияние этого разогрева на характеристики приборных структур, в частности, для случая присутствия в материале радиационных дефектов.
Анализ явлений переноса носителей заряда традиционно основывается на методе кинетического уравнения Больцмана [8]. Аналитическое решение уравнения Больцмана удается лишь для некоторых специальных случаев, в частности, когда неравновесная функция распределения в электрическом поле отлича-
ется от равновесной малым приращением. Ввиду ограниченности области применения аналитического решения неизбежным представляется использование численных методов. Практически для решения уравнения используются в основном два подхода: прямой метод итерации и непрямой метод Монте-Карло.
Преимущество второго подхода, использующего моделирование движения электрона в (г, к, t) - пространстве, состоит в возможности точного вычисления электрофизических характеристик для случая реальной зонной структуры полупроводника (многодолинность, непараболичность и анизотропия долин), реальных механизмов рассеяния [5,9]. Этот метод может быть использован для описа-' пия переходных процессов, связанных с нестационарными и неоднородными полями. Выбор такого подхода для изучения транспорта носителей при радиационном подходе оправдан, так как он позволяет свободно вводить в модель дополнительные механизмы рассеяния, изменять зонігую структуру полупроводника, при этом является очень наглядным, предоставляя возможность детально исследовать влияние различных механизмов на характеристики материала.
Цель работы:
Изучение процессов, протекающих в GaAs структурах при дефектообразующем и ионизирующем радиационных воздействиях, путем математического моделирования с использованием метода Монте-Карло.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
определение характеристик точечных радиационных дефектов и разупорядо-
ченных областей;
* разработка и реализация алгоритма расчета электрофизических характеристик n-GaAs с радиационными повреждениями (точечными дефектами и ра-зупорядоченными областями) с использованием метода Монте-Карло;
построение модели поглощения ионизирующего излучения в приборных структурах;
разработка и реализация алгоритма расчета электрофизических характеристик n-GaAs с радиационными дефектами при ионизирующем воздействии с использованием метода Монте-Карло.
Научная новизна
полученных результатов состоит в следующем:
впервые метод Монте-Карло применен для моделирования процессов переноса носителей заряда в полупроводниковых структурах на основе GaAs с радиационными дефектами;
впервые получены с помощью разработанной модели кинетические характеристики электронного газа в n-GaAs при дефектообразующем радиационном
воздействии: средняя дрейфовая скорость, энергия, эффективная масса, времена релаксации энергии и импульса электронов для сильных и слабых электрических полей;
изучено влияние радиационных дефектов на кинетику разогрева электронного газа в переменных электрических полях и обосновано использование уравнений, основанных на приближении времен релаксации, дпя моделирования процессов переноса носителей заряда в приборных структурах при радиационном воздействии;
построена модель для анализа процессов разогрева электронного газа при воздействии ионизирующего излучения.
Практическая значимость
полученных в работе результатов заключается в следующем:
1. Разработанный пакет прикладных программ применяется для:
расчета кинетических характеристик электронов в n-GaAs с радиационными дефектами (точечными дефектами и разупорядоченными областями различного размера);
моделирования процессов разогрева электронного газа в n-GaAs с радиационными дефектами в переменных электрических полях;
моделирования разогрева электронного газа в n-GaAs при воздействии ионизирующего излучения, в частности, в однослойных и двухслойных приборных структурах.
-
Результаты моделирования используются для расчета режимов радиационной модификации характеристик полупроводникового материала.
-
Полученные с помощью разработанной модели электрофизические характеристики n-GaAs применяются в более простых по сравнению с методом Монте-Карло моделях переноса различного уровня - дрейфово-диффузионной, температурной и др.
-
Разработанный пакет прикладных программ введен в промышленную эксплуатацию в ряде предприятий Нижегородского региона (НИИИС, НПП «Салют») и использовался для оценки радиационной стойкости дискретных полупроводниковых приборов и интегральных схем.
Положения, выносимые на защиту.
На защиту выносятся:
1. Метод анализа, основанный на процедуре Монте-Карло, движения носителей заряда в полупроводниковых структурах при радиационном воздействии, особенностями которого является введение дополнительных механизмов рассея-
ния на радиационных дефектах при моделировании дефектообразующего воздействия излучения и учет энергетического распределения неравновесных носителей заряда при ионизирующем воздействии.
-
Разупорядоченные области оказывают преобладающее влияние на электрофизические характеристики n-GaAs, облученного быстрыми нейтронами, при концентрации легирующей примеси в материале больше 10 см" , действие точечных дефектов доминирует при меньшей концентрации примеси.
-
Изменение энергетического распределения носителей заряда в процессе ионизации материала приводит к разогреву электронного газа и уменьшению дрейфовой скорости носителей заряда в нанометровых структурах.
-
Воздействие ионизирующего излучения на нанометровые структуры с радиационными дефектами делает возможным увеличение дрейфовой скорости носителей заряда, первоначальное уменьшение которой было вызвано рассеянием на радиационных дефектах.
Публикации и апробация результатов.
Основные результаты, представленные в диссертации, изложены в 9 статьях и докладывались на следующих конференциях и школах: Международной межвузовской конференции «Соврем»...' ые проблемы электроники и радиофизики СВЧ» (Саратов, 4-8 сентября 1997 і.); Международной научной конференции «Системные проблемы теории надежности, математического моделирования и информационных технологий» (Сочи, 16-21 сентября 1997 г.); Ill Международной научно-технической конференции «Микроэлектроника и информатика» (Москва, Зеленоград, ноябрь 1997 г.); VIII межнациональном совещании "Радиационная физика твердого тела" (Севастополь, 29 июня - 4 июля 1998 г.); XI Международной зимней школе по СВЧ электронике и радиофизике (Саратов, 2-6 марта 1999 г.); Научной конференции «Структура и свойства твердых тел», посвященной 40-летию физфака ННГУ (Н.Новгород, сентябрь 1999 г.); III, IV Нижегородских сессиях молодых ученых (Н.Новгород, апрель 1998, 1999 г.); II, III Конференциях по радиофизике (Н.Новгород, май 1998, 1999 г.).
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Объем работы составляет 160 страниц, включая 154 страницы основного текста, 63 рисунка, 6 таблиц, и список цитируемой литературы из 122 наименований (6 страниц).