Радиация тем опаснее для электроники, чем та миниатюрнее

Радиация может стать более серьёзной проблемой для современной микроэлектроники, чем считалось. Если быть совершенно точным, полагают исследователи из Университета Вандербильта (США), по крайней мере в десять раз более серьёзной.

Учёные, использовавшие метод когерентной акустической фононной спектроскопии для анализа воздействия ионизирующей радиации на полупроводниковую электронику, выявили, что по мере миниатюризации уязвимость транзисторов растёт вплоть до того, что отдельное устройство может быть выведено из строя единственным ионом.

Исследование, предпринятое Эндрю Штайгервальдом под руководством профессора Нормана Толка, опиралось на новый подход к оценке повреждений радиоэлектроники. Ранее такие оценки делались при помощи анализа деформаций и дефектов на атомарном уровне. Однако полупроводник в первую очередь работает с электронами, среди которых анализ возмущений в результате воздействия радиации ранее не проводился.

Кремниевая подложка со следами повреждений от ионизирующей радиации (фото Meroli Stefano / CERN).

Чтобы оценить ситуацию среди электронов, была использована когерентная акустическая фононная спектроскопия (сoherent acoustic phonon spectroscopy, CAPS). При помощи фемтосекундных лазеров создавались короткие импульсы, которыми «обстреливалась» поверхность полупроводника, генерируя волны, проходящие сквозь исследуемый материал. Затем второй лазер воздействовал на тот же кусок материала, измеряя интенсивность вызванной первым лазером волны и её силу. По вариациям в отражаемых импульсах второго лазера исследователи и обнаружили колебания в нормальном размещении электронов в полупроводнике. При подобном обследовании галлий-арсенидных полупроводников, «обстреливаемых» атомами неона высоких энергий, выяснилось, что после захвата одного атома неона около 1 000 атомов полупроводника подвергаются структурному воздействию, делающему их нефункциональными:

Эти данные десятикратно превосходят самые пессимистические результаты предыдущих исследований. Они особенно важны в связи с продолжающейся миниатюризацией, способной подвести компьютеры к атомарному уровню транзисторов. Уже сегодня средний транзистор может состоять всего из нескольких тысяч атомов, а в некоторых областях, таких как солнечная энергетика, ведутся эксперименты по использованию квантовых точек (микроскопических кусочков полупроводников), состоящих буквально из сотен атомов каждая. В гелиоэнергетике воздействие радиации — вещь имманентная, и недостаточное понимание масштабов урона в значительной степени дезориентировало исследователей, делавших ставку на квантовые точки.

Профессор Норман Толк (слева) и Эндрю Штайгервальд во время эксперимента (фото Joe Howell / Vanderbilt).

«Наши результаты могут объяснить недавние исследования, обнаружившие, что такие фотоэлементы на квантовых точках менее эффективны, чем предсказывалось [исходя из теоретических предпосылок]», — замечает г-н Штайгервальд.

Более того, оптоэлектроника, связанная с систематическим воздействием радиации на полупроводники, также в значительной степени подвержена недооценивавшемуся ранее эффекту радиационной деградации своих компонентов, и в ней, как и микроэлектронике в целом, надо заниматься защитой полупроводников от радиационного воздействия, иначе существенного прогресса на пути миниатюризации (по крайней мере в рамках транзисторной парадигмы) ждать не приходится.

Соответствующая работа опубликована в Journal of Applied Physics.

Подготовлено по материалам Университета Вандербильта.