Способ определения стойкости к радиационным и температурным воздействиям наноэлектронного резонансно-туннельного диода (РТД) на основе многослойных AlGaAs (алюминий, галлий, арсеникум) полупроводниковых гетероструктур

Изобретение относится к электронным приборам, в частности к полупроводниковым приборам, и может быть использовано для определения стойкости к радиационным и температурным воздействиям наноэлектронного резонансно-туннельного диода (РТД) на основе многослойных AlGaAs (алюминий, галлий, арсеникум) полупроводниковых гетероструктур.

К числу основных требований, предъявляемых к характеристикам бортовых систем космических аппаратов, относятся требования высокой надежности и стойкости к дестабилизирующим факторам космического пространства (КП).

Наибольшие трудности в обеспечении указанных требований практически на всех этапах развития космонавтики возникали при создании радиоэлектронных систем, так как именно для них характерны наиболее высокие темпы роста функциональной и аппаратной сложности, а темпы роста требований к их надежному функционированию существенно превышают темпы роста надежности элементной базы.

Ионизирующее излучение состоит из потока первичных заряженных ядерных частиц (электроны, протоны и тяжелые заряженные частицы), коротковолновое электромагнитное излучение (рентгеновское и гамма-излучение), а также вторичных ядерных частиц - продуктов ядерных превращений, связанных с первичным излучением. Основные эффекты воздействия ионизирующего излучения (ИИ) на радиоэлектронную аппаратуру (РЭА) связаны с ионизационными и ядерными потерями энергии первичных и вторичных частиц. Эти эффекты могут вызвать параметрический отказ полупроводниковых приборов и интегральных схем (ИС) вследствие накопления дозы ИИ, а также возникновение одиночных сбоев и отказов от воздействия отдельных высокоэнергетических ядерных частиц.

Влияние космической плазмы может проявляться на высоких орбитах полета космического аппарата (КА) через электризацию диэлектрических защитных и термоизолирующих покрытий. При достижении критического заряда происходит внутренний локальный электростатический пробой, который может привести к отказу или сбою в работе прибора.

При воздействии теплового излучения Солнца, а также при попадании в зону тени от других объектов происходит неравномерный разогрев конструкций КА, приводящий к значительным циклическим изменениям температуры поверхности КА. В результате возникают температурные градиенты, которые могут приводить к возникновению термоэлектродвижущей силы (термоЭДС). Кроме того, температурные эффекты приводят к изменению характеристик полупроводниковых приборов и ИС, входящих в состав РЭА КА. В условиях невесомости ухудшается тепловой режим работы РЭА, так как отсутствует конвекционный обмен тепла.

Результатом воздействия космического вакуума на элементы и узлы КА являются отсутствие конвективного теплообмена и теплопроводности и изменение электрических свойств материалов.

Из уровня техники известны ряд патентов, направленных на улучшение характеристик полупроводниковых приборов и интегральных схем (ИС), работающих в вышеуказанных условиях.

Известен способ отбраковки микросхем, изготовленных на КНД (кремний на диэлектрике) структурах, по стойкости к радиационному воздействию (см. RU №2411527 С1, кл. G01R 31/28, 10.02.2011).

Изобретение относится к области электронной техники, в частности предназначено для отбраковки микросхем, изготовленных на КНД (кремний на диэлектрике) структурах, по радиационной стойкости. Способ отбраковки микросхем, изготовленных на КНД структурах, по стойкости к радиационному воздействию заключается в поэтапном облучении микросхем малой дозой, выборе статического тока потребления в качестве критериального параметра, определяющего радиационную стойкость микросхем, восстановлении исходных параметров микросхем путем их дополнительного облучения при заземленных выводах. Разбраковку осуществляют за один этап облучения при тестовой дозе, определяемой по результатам облучения определительной группы микросхем из производственной партии.

Недостатком известного способа является низкая надежность, связанная с уменьшенной разовой дозой облучения микросхем.

Известен способ разделения интегральных микросхем по радиационной стойкости и надежности (см. RU №2254587 С1, кл. G01R 31/26, 20.06.2005).

Изобретение относится к области электронной техники, в частности предназначено для разделения интегральных микросхем по уровням радиационной стойкости и надежности. Сущность: облучают поэтапно с количеством этапов не менее двух партии микросхем малой дозой ионизирующего излучения (от нескольких крад до нескольких десятков крад). Измеряют их стандартные электрические параметры и минимальное напряжение питания каждой микросхемы, при котором сохраняется ее функционирование. Строят дозовые зависимости, описывающие изменение стандартных параметров и минимального напряжения функционирования под действием облучения. С их помощью прогнозируют для каждой микросхемы дозу отказа, при которой хотя бы один стандартный параметр достигнет своего предельного значения или минимальное напряжение питания достигнет номинального значения напряжения питания микросхемы. Надежность микросхем определяют после отжига облученных микросхем по отклонению значения одного или нескольких стандартных параметров или минимального напряжения питания от их исходных значений до облучения.

Недостатком известного способа является сложность, связанная определением надежности микросхем после отжига.

В известных способах исследуются микросхемы и при этом определяются заранее заданные предельные параметры.

В последние годы в микроэлектронике СВЧ (сверхвысоких частот) все шире используются новые полупроводниковые материалы, такие как нитрид галлия GaN, карбид кремния SiC, кремний-германий SiGe. Не теряет своих позиций и арсенид галлия GaAs. На гетероструктурах AlGaN/GaN создаются мощные полевые транзисторы с высокой подвижностью электронов. На гетероструктурах SiGe разрабатываются биполярные транзисторы, способные работать на частотах в сотни гигагерц, Перечисленные материалы используются при создании современной в значительной степени новой элементной базы микроэлектроники, в частности наноэлектронного резонансно-туннельного диода (РТД) на основе многослойных AlGaAs (алюминий, галлий, арсеникум) полупроводниковых гетероструктур.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в определении стойкости к радиационным и температурным воздействиям наноэлектронного резонансно-туннельного диода (РТД) на основе многослойных AlGaAs полупроводниковых гетероструктур, определении необходимости доработок конструкторского и технологического характера, направленных на повышение стойкости РТД к действию указанных факторов и, соответственно, повышение надежности радиоэлектронной аппаратуры на основе РТД в условиях действия ионизирующих излучений и температурного фактора.

Указанный технический результат достигается тем, что способ определения стойкости к радиационным и температурным воздействиям наноэлектронного резонансно-туннельного диода (РТД) на основе многослойных AlGaAs полупроводниковых гетероструктур заключается в последовательном приложении циклов радиационных воздействий на партию РТД, доза которых постепенно накапливается в каждом цикле, и температурных воздействий, время воздействия которых постепенно увеличивается, с тем, чтобы получить вызванное ими изменение вольт-амперной характеристики (ВАХ) в рабочей области не менее чем на порядок больше погрешности измерения, в определении количества циклов путем установления ВАХ, соответствующей параметрическому отказу для конкретного применения РТД, в построении семейства ВАХ, в определении на основе анализа кинетики ВАХ скорости деградации РТД и в определении стойкости к радиационным и температурным воздействиям РТД на основе полученных данных по скорости деградации РТД.

Указанный технический результат достигается также тем, что температурные воздействия осуществляют в области 300°C.

Изобретение будет понятно из последующего описания и приложенных к нему чертежей.

На фиг. 1 показана типовая структура и энергетическая диаграмма РТД. По оси ординат диаграммы приведены: Е - ось энергий, E_f - уровень Ферми, Е_с - дно зоны проводимости.

На фиг. 2 показаны вольтамперные характеристики (ВАХ) РТД, полученные в результате действия циклов термических воздействий и циклов ионизирующих воздействий гамма-квантами. На оси абсцисс приведены значения напряжения - U на РТД в вольтах, на оси ординат приведены значения тока - I в амперах.

На фиг. 3 показаны искажения энергетической диаграммы в результате действия циклов термических и ионизирующих воздействий.

РТД состоит из двух контактных областей 1 (см. фиг. 1 и фиг. 3), выполненных из легированного GaAs и AuGeNi (золото, никель, германий), спейсеров 2, выполненных из GaAs, и резонансно-туннельной гетероструктуры в составе трех чередующихся областей: потенциальных барьеров 3, выполненных из Al_yGa_1-yAs, где y - молярная доля Al (алюминия), и расположенной между ними потенциальной ямы 4, выполненной из GaAs, различающихся шириной запрещенной зоны и толщиной слоя. Потенциальная яма и потенциальные барьеры имеют толщину от нескольких единиц до нескольких десятков нм (см. Ivanov Yu.A., Meshkov S.A., Sinjakin V.Yu., Fedorenko I.A., Fedorkova N.V., Fedorov I.B., Shashurin V.D. Increase of quality of radio-electronic systems of new generation due to application of resonant tunneling nanodiodes. Nanoengineering. 2011. №1, pp. 34-43).

Способ определения стойкости к радиационным и температурным воздействиям наноэлектронного резонансно-туннельного диода (РТД) на основе многослойных AlGaAs полупроводниковых гетероструктур осуществляется следующим образом.

Формируется партия РТД объемом N не менее 30 штук, которая подвергается воздействию циклов радиационных воздействий, чтобы получить вызванное ими изменение ВАХ в рабочей области не менее чем на порядок больше погрешности измерения. Доза радиационных воздействий постепенно накапливается в каждом цикле, а время температурных воздействий постепенно увеличивается. Температурные воздействия осуществляют преимущественно в области 300°C.

Радиационное облучение может производиться с помощью источника γ-квантов ⁶⁰Со, например, ГИК-17М. Для температурного воздействия может использоваться лабораторная электронагревательная печь, например СНОЛ 6/11.

Цикл радиационных и температурных воздействий состоит из следующих действий. Сначала партия РТД облучается дозой, при которой изменение ВАХ диодов не менее чем на порядок больше погрешности измерений. Изменение ВАХ регистрируется измерительным прибором (например, совместное использование микрозондового устройства (МЗУ) «ЛОМО 900072» и источника питания с цифровым управлением «Agilent 3640A DC Power Supply»). Затем партия РТД подвергается температурному воздействию, время и температура воздействия выбираются такими, при которых изменение ВАХ диодов не менее чем на порядок больше погрешности измерений. Изменение ВАХ регистрируется измерительным прибором. ВАХ партии РТД измеряются в каждом цикле радиационных и температурных воздействий.

После каждого цикла радиационных и температурных воздействий измеряются ВАХ партии РТД. На фиг. 2 приведена ВАХ 5, полученная до температурных и ионизирующих воздействий. После первого цикла радиационных и температурных воздействий получена ВАХ 6, соответственно после последующих циклов получены ВАХ 7 и ВАХ 8. Как видно из фиг. 2, вольтамперные характеристики 6-8 незначительно отличаются друг от друга. После дополнительных воздействий получены ВАХ 9 и ВАХ 10, вольтамперные характеристики которых резко отличаются от начальной.

Количество циклов определяется путем установления ВАХ, соответствующей параметрическому отказу для конкретного применения РТД. Критическая ВАХ соответствует такому состоянию РТД, в котором он не может выполнять функции нелинейного преобразования радиосигналов для обеспечения заданных показателей назначения преобразователя (функционального устройства) на его основе, т.е. наступает параметрический отказ. Критическая ВАХ РТД находится путем имитационного моделирования параметров нелинейного преобразователя с различными формами ВАХ, полученными в результате радиационных и температурных воздействий, и сравнения их с допустимыми значениями. За критическую принимается такая ВАХ, при которой хотя бы один функциональный параметр (показатель назначения) преобразователя выходит за допустимые пределы (см. Мешков С.А., и др. Перспективы разработки нелинейных преобразователей радиосигналов на базе резонансно-туннельных нанодиодов, Вестник Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана. Серия «Приборостроение», 2012, №4 (89), с. 100-113).

Деградация резонансно-туннельной гетероструктуры РТД в виде искажения энергетической диаграммы в результате действия циклов термических и ионизирующих воздействий показана на фиг. 3. Повреждения вносятся не только в гетероструктуру, но и в контактные области РТД.

На основе построенного семейства ВАХ определяется смещение ВАХ, которое характеризует скорость деградации РТД. Использование полученной скорости деградации РТД производится по методикам, изложенным в книге Проников А.С. Параметрическая надежность машин. М., Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002, 560 с. и книге Чеканов А.Н. Расчеты и обеспечение надежности электронной аппаратуры: учебное пособие, М., КНОРУС, 2012, 440 с.

Изобретение позволяет определить стойкость к радиационным и температурным воздействиям наноэлектронного резонансно-туннельного диода (РТД) на основе многослойных AlGaAs полупроводниковых гетероструктур, определить необходимость доработок конструкторского и технологического характера, направленных на повышение стойкости РТД к действию указанных факторов и, соответственно, повысить надежность радиоэлектронной аппаратуры на основе РТД в условиях действия ионизирующих излучений и температурного фактора.