Физики объяснили давнюю загадку отказа электроники под действием радиации
Исследователи из Университета штата Северная Каролина (США) разобрались в физическом механизме, из-за которого радиация способна полностью разрушить электронное устройство. Речь идет о явлении, известном как одиночный радиационный пробой (single-event burnout, SEB). Новая модель объясняет, как одна высокоэнергетическая частица запускает цепочку процессов, приводящих к повреждению полупроводника. Результаты опубликованы в журнале IEEE Transactions on Nuclear Science.
Открытие поможет инженерам разрабатывать более устойчивую к радиации электронику. Такие устройства могут пригодиться в космических аппаратах, ядерной энергетике, термоядерных установках и медицинском оборудовании.
Как одна частица разрушает электронное устройство
Исследователи изучали нитрид алюминия (AlN) — полупроводниковый материал с широкой запрещенной зоной. Он способен выдерживать высокие электрические нагрузки, поэтому считается перспективным для электроники, работающей в экстремальных условиях, в том числе при воздействии радиации.
Ученые проверяли, какое напряжение могут выдержать устройства на основе этого материала до возникновения SEB. Это явление происходит, когда через полупроводник проходит высокоэнергетическая частица, например тяжелый ион, и вызывает необратимое повреждение прибора. Риск особенно возрастает при высоком напряжении.
При этом сравнивать разные полупроводниковые материалы только по напряжению некорректно. На результат влияет конструкция самого устройства. Поэтому исследователи оценивали напряженность электрического поля, которую способен выдержать материал. По этому показателю нитрид алюминия превзошел другие изученные полупроводники.
«Мы хотели определить характеристики созданной нами электроники на основе AlN и выяснить, какую мощность она может выдержать до возникновения SEB», — рассказал Кристян Киньонес, автор исследования и недавний выпускник аспирантуры Университета штата Северная Каролина.
Однако эксперименты показали не только возможности нитрида алюминия. Чтобы понять, почему вообще возникает радиационный пробой, ученые сопоставили собственные результаты с данными о других материалах и провели компьютерное моделирование.
Локальный перегрев приводит к разрушению
Согласно разработанной модели, тяжелые ионы, проходя через полупроводник, создают в нем носители электрического заряда. Когда к устройству приложено напряжение, положительные и отрицательные заряды разделяются. В результате в небольшом участке материала возникает сильное электрическое поле.
Если его напряженность достигает критического значения, начинается лавинообразное размножение электронов. Этот процесс высвобождает большое количество энергии на очень маленьком участке. Возникает локальное разрушение структуры полупроводника, после которого устройство перестает работать.
«Раньше мы знали, что SEB возникает, и умели проверять, насколько хорошо устройство ему сопротивляется. Но теперь мы понимаем, почему это происходит», — пояснил Киньонес.
Авторы проверили модель на экспериментальных данных, полученных для других полупроводников и электронных устройств. Она смогла объяснить наблюдавшиеся случаи радиационного пробоя, что указывает на применимость разработанного подхода за пределами нитрида алюминия.
Как защитить электронику от радиации
Понимание механизма SEB позволит не просто измерять устойчивость готовых устройств, но и целенаправленно улучшать их конструкцию. Например, инженеры смогут изменять геометрию и характеристики полупроводниковых элементов, чтобы не допускать возникновения опасного локального электрического поля.
«Понимание физических механизмов SEB открывает возможность создавать материалы для радиационно-стойких устройств и проектировать сами приборы так, чтобы они лучше выдерживали воздействие радиации», — отметил соавтор работы Рамон Коллазо, профессор материаловедения и инженерии Университета штата Северная Каролина.
По его словам, раньше разработчикам приходилось работать практически вслепую, поскольку подробный механизм разрушения оставался неизвестным. Теперь полученные результаты могут стать основой для новых инженерных правил, которые помогут повысить надежность электроники и уменьшить повреждения от радиации.
Исследователи рассчитывают, что их модель пригодится при создании оборудования для космических миссий, ядерной энергетики, термоядерных экспериментов и биомедицинских технологий. Для этого предстоит применить полученные знания при проектировании и испытании новых электронных компонентов.
