CC BY
12НАНОТЕХНОЛОГИЯ
УДК 621.38-022.532
Радиационные эффекты в элементах наноэлектроники
Д.В.Громов, В.В.Елесин, Г.В.Петров
Московский инженерно-физический институт (национальный исследовательский ядерный университет)
И.И.Бобринецкий, В.К.Неволин
Московский государственный институт электронной техники (технический университет)
Проведен анализ радиационных эффектов в планарных наноразмер-ных структурах при воздействии стационарного и импульсного ионизирующего излучения. Исследованы характеристики опытных образцов пла-нарной наноразмерной структуры, изготовленной путем осаждения сверхтонкой пленки титана на полуизолирующую GaAs-подложку, а также полевых транзисторных структур на основе пучков углеродных нано-трубок. Установлены физические механизмы радиационного изменения характеристик рассматриваемых элементов наноэлектроники.
Широкое применение полупроводниковых изделий микро- и наноэлектроники в качестве элементной базы бортовых электронных систем, подвергающихся воздействию ионизирующих излучений, обусловило необходимость оценки и прогнозирования радиационной стойкости изделий электронной техники. Такие изделия составляют 45-50% в общем объеме элементной базы радиоэлектронных систем и, по существу, определяют ее отказоустойчивость в экстремальных условиях эксплуатации.
В настоящее время активно ведутся исследования по разработке элементной базы радиоэлектронной аппаратуры на основе нанотехнологий [1]. Ожидаемая область применения изделий наноэлектроники - приемно-усилительные тракты СВЧ-диапазона. Возможность использования этих приборов в устройствах, эксплуатируемых в условиях воздействия радиационных факторов, вызывает необходимость исследования в них радиационных эффектов, которые определяют отказоустойчивость радиоэлектронной аппаратуры в экстремальных условиях эксплуатации. Сочетанием методов традиционной планарной технологии с зондовыми методами окисления металлических проводящих дорожек на диэлектрических подложках в сканирующем атомно-силовом микроскопе (АСМ) были созданы двухэлектродные планарные элементы с 2D-наноразмерными сужениями. Такие структуры должны проявлять размерные эффекты в проводимости, в том числе квантовые эффекты в нелинейности ВАХ. Методы зондо-вого формирования позволяют создать двухэлектродные планарные элементы с разнообразными нелинейными ВАХ, имеющие различное функциональное назначение [2].
В настоящей работе приведены результаты исследования импульсного ионизирующего излучения (ИИИ) на лазерных имитаторах в диапазоне (0-1,11010) рад/с на характеристики планарных наноразмерных диодных структур (квантовых проводов). Использование лазерных имитаторов при исследовании влияния импульсного ионизи-
© Д.В.Громов, В.В.Елесин, Г.В.Петров, И.И.Бобринецкий, В.К.Неволин, 2010
рующего излучения на электронную компонентную базу является достаточно эффективным и позволяет существенно сократить сроки и стоимость испытаний по сравнению с моделирующими установками при обеспечении достаточно высокой адекватности полученных результатов [3].
Электрические свойства планарных металлических наноразмерных проводников. Объектами исследований являлись опытные образцы планарной наноразмерной структуры, изготовленной путем осаждения сверхтонкой пленки титана на полуизолирующую GaAs-подложку. Двухполюсная наноразмерная структура представляет собой квантоворазмерный элемент с симметрично-нелинейной ВАХ. Основной титановый проводник выполнен в виде дорожки, ширина которой составляет 0,5 мкм, толщина
50 нПоВпкаформврштнииалитадошдзд размеров с
использованием анодизации титановых пленок с помощью зонда АСМ. На рис. 1 показан фрагмент проводника в увеличенном масштабе до и после модификации Ti в области зонда АСМ. Видно, что образуются выступы из окисленного титана, которые имеют неправильную форму. Таким образом, метод зондового окисления позволяет изменять проводи-
-15 -10 -5 0 5 10 15
F В
Рис.2. Вольт-амперная характеристика наноразмерной структуры
мость титановых дорожек в относительно больших пределах. ВАХ образца наноразмерной структуры приведена на рис.2. Следует отметить, что ВАХ прибора характеризуется как нелинейностью, так и симметричностью.
Ионизационная реакция образцов при воздействии ИИИ. Исследования проводились с использованием лазерного имитатора «Радон-5М» с длиной волны лазерного излучения 1,08 мкм и лазерного имитатора «Тералаз-2» с длиной волны 0,84 мкм. Измерялся ток потребления прибора во время действия импульса лазерного излучения. Зависимости радиационного изменения тока потребления исследуемой структуры приведены на рис.3.
500
400-
300-
< 200
1000
Р = 2 510 9 рад (/с
Р = ,25 • Ю8 рад/с
3456789 10 Е В
1000 800 600 400
200 2000
8 -200 -400 -600 -800 -1000 -1200 -1400 -1600 -1800 -2000
8 10
Е В
пит б
Рис.3. Зависимости амплитуды фототока наноразмерной структуры от напряжения питания при использовании имитаторов со следующими характеристиками: а - «Радон-5М»,
б - «Тералаз-2»
а
Анализ приведенных данных позволяет сделать следующие основные выводы: ионизационная реакция определяется фототоками между золотыми контактами прибора; катастрофических отказов в исследуемых структурах не наблюдалось; в исследуемых образцах эффективность ионизации для лазерного имитатора «Тералаз-2» превышает аналогичную величину для имитатора «Радон-5М». Это связано с тем, что наноструктура сформирована на подложке из арсенида галлия с большей по сравнению с кремнием шириной запрещенной зоны. Поэтому излучение лазера «Тералаз-2» с меньшей длиной волны приводит к более интенсивной ионизации полупроводникового материала и росту ионизационного тока.
Электрические свойства планарных структур на основе углеродных пучков. Проведены исследования электрических свойств приборов на основе пучков из однослойных углеродных нанотрубок [4], расположенных между золотыми и углеродными [5] подводящими электродами. Тестовая структура для измерения электрических свойств была реализована в виде золотых электродов, нанесенных на термически выращенный на кремнии слой &02 толщиной 200 нм. Для увеличения адгезии золота к оксиду нанесен буферный слой ванадия толщиной 10 нм. Затем на поверхность кристалла наносились пучки углеродных нанотрубок. Контакт нанотрубок с электродами имел случайный характер, для повышения вероятности контакта нанотрубки с помощью зондового микроскопа перемещались на золотые электроды. Образцы нанодиодов (НД) и нанотранзисторов (НТ) разработаны в Московском государственном институте электронной техники (техническом университете). Тестовые кристаллы с макетами нанодиодов и нанотранзисторов разваривались в типовые корпуса для интегральных схем. Топология макета нанодиода и нанотранзистора на основе углеродных нанотрубок показана на рис.4. В качестве затвора полевого нанотранзистора использовался контакт к кремниевой подложке р++-типа. Измерялись ВАХ нанодиодов и на-нотранзисторов.
Ди
Рис.4. Вид нанотранзистора на основе углеродных нанотрубок
Образцы макетов НД и НТ облучались на ускорителе электронов У-31/33 с энергией 1 МэВ до максимальной дозы 106 рад В качестве источника нейтронов использовался импульсный реактор типа «БАРС». Максимальный флюенс нейтронов составил 5 1012 нейтрон/см2. На рис.5 приведены дозовые зависимости ВАХ нанодио-дов (нанотранзисторов).
В результате исследования радиационного изменения ВАХ макетов нанодиодов и нанотран-зисторов на основе углеродных нанотрубок при облучении электронами установлено следующее:
- при воздействии электронов с уровнем дозы 10 рад для обоих образцов наблюдалось уменьшение проводимости для прямого и обратного напряжений питания (прямое сопротивление увеличилось примерно в 2 раза), нелинейность ВАХ при этом сохранялась;
- при воздействии электронов с уровнем дозы 106 рад для обоих образцов произошло повышение проводимости относительно значений, полученных для уровня 105 рад, при этом исходные (до облучения) значения проводимости достигнуты не были.
Зависимость проводимости приборов от уровня воздействующего фактора носит немонотонный характер в диапазоне уровней воздействия 105-106 рад, а нелинейность ВАХ приборов сохраняется. При этом не наблюдается зависимость радиационного изменения проводимости от напряжения на затворе прибора. Можно считать, что немонотонное изменение проводимости от дозы связано с образованием энергетических уровней в диэлектрическом слое SiO2, формирующих дополнительное смещение на затворе прибора. При достижении концентрации уровней определенного значения в дальнейшем наблюдается активизация поверхностных состояний на границе SiO2 и возрастание проводимости приборов. На рис.6 приведены ВАХ наноприборов до и после воздействия флюенса нейтронов 5 1012 нейтрон/см2.
I, нА, 200 I, нА. 200 1 ® ж
100 Л^^ и, В 100 / /"'2 Ж^ и, В
-10 10 -10 -♦-1-1-1-+10
/ ^^100 /' Ж100
Г & -200 -200
а б
Рис.6. ВАХ наноприборов до (а) и после 5 1012 нейтрон/см2 (б). (1 - из = - воздействия флюенса нейтронов 10 В; 2 - из = 0 В)
I, нА
Рис.5. Дозовые зависимости ВАХ нанодио-дов (нанотранзисторов): а - Б = 0; б -Б =105 рад; в - Б =106 рад. (1 - и3 = -10 В; 2 - из = 0 В; 2 - из = +10 В)
В результате исследования характеристик макетов нанодиодов и нанотранзисторов на основе углеродных нанотрубок при облучении нейтронами реактора установлено, что ВАХ приборов не претерпели заметных изменений после воздействия. Это может быть связано с их малыми поперечными сечениями и использованием в приборах пучков нанотрубок.
В целом на основании проведенных исследований можно сделать вывод, что рассматриваемые элементы наноэлектроники имеют достаточно высокую стойкость к воздействию ионизирующих излучений. При уровнях воздействия до 106 рад катастрофических отказов не наблюдалось, а нелинейность ВАХ приборов сохранялась. При импульсном воздействии ИИИ катастрофических отказов не наблюдалось до уровней 1010 рад/с. Выявлены общие механизмы, обуславливающие характер чувствительности элементов наноэлектроники на основе металлических нанопроводников и углеродных нанотрубок, связанные с малыми поперечными сечениями канала проводимости и влиянием подложки.
Работа выполнена в рамках реализации проекта по ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы (ГК№ П1534).
Литература
1. Наноматериалы. Нанотехнологии. Наносистемная техника. Мировые достижения за 2005 год / Сб. под ред. д.т.н., проф. П.П.Мальцева. - М.: Техносфера, 2006. - 152 с.
2. Формирование и электрические свойства планарных 2D размерных структур / Адамов Ю.Ф., Корнеев Н.В., Мокеров В.Г. и др. // Микросистемная техника. - 2000. - № 5. - С. 12-16.
3. Громов Д.В. Исследование переходных ионизационных эффектов в GaAs структурах лазерными методами // Изв. вузов. Электроника. - 1998. - № 2. - С. 85-90.
4. Модуляция проводимости пучков однослойных углеродных нанотрубок / И.И.Бобринецкий,
B.К.Неволин, А.А.Строганов, Ю.А.Чаплыгин // Микроэлектроника. - 2004. - Т. 33. - № 5(33). -
C. 356-361.
5. Бобринецкий И.И., Булатов А.Н., Неволин В.К. Первые макеты функциональных элементов углеродной наноэлектроники. - Нанотехнология. - 2006. - № 2(6). - С. 9-13.
Статья поступила 22 июля 2009 г.
Громов Дмитрий Викторович - доктор технических наук, профессор «Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ». Область научных интересов: радиационные эффекты в элементах микро- и наноэлектроники.
Елесин Вадим Владимирович - кандидат технических наук, доцент «Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ». Область научных интересов: радиационные эффекты в элементах микро- и наноэлектроники.
Петров Гарри Васильевич - доктор технических наук, профессор «Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ». Область научных интересов: конструирование электронной аппаратуры, взаимодействие излучения с веществом.
Бобринецкий Иван Иванович - кандидат технических наук, старший научный сотрудник Научно-образовательного центра «Зондовая микроскопия и нанотехнология» МИЭТ. Область научных интересов: зондовая микроскопия, нанотехнология.
Неволин Владимир Кириллович - доктор физико-математических наук, профессор, руководитель Научно-образовательного центра «Зондовая микроскопия и на-нотехнология» МИЭТ. Область научных интересов: зондовая микроскопия, нанотехнология. E-mail: vkn@miee.ru
