Навіть одна частинка радіації може спричинити незворотне пошкодження електронного чипа. У космосі, ядерних реакторах та інших середовищах із високим рівнем радіації така подія здатна вивести з ладу потужне обладнання. Тепер дослідники з Університету штату Північна Кароліна з’ясували, як саме відбувається цей процес — аж до фізичних механізмів усередині напівпровідника.
Йдеться про явище, відоме як single-event burnout (SEB), або руйнування внаслідок одиничної радіаційної події. Воно виникає, коли частинка радіації потрапляє в електронний пристрій, що працює під високою напругою, і запускає процес, який призводить до його катастрофічного пошкодження.
Раніше інженери могли перевіряти, наскільки пристрої стійкі до такого впливу, але не мали повного розуміння причин руйнування. Нове дослідження допомогло відтворити послідовність подій, що призводить до відмови.
Алюміній нітрид витримує екстремальні навантаження
Відправною точкою дослідження став алюміній нітрид (AlN) — напівпровідниковий матеріал із надширокою забороненою зоною. Він здатний працювати за дуже високих електричних навантажень. Щоб коректно порівняти його зі звичайними напівпровідниками, зокрема кремнієм, науковці зосередилися не лише на напрузі, а й на напруженості електричного поля, яку матеріал може витримати до руйнування.
Результати показали, що діоди на основі алюміній нітриду здатні витримувати електричні поля майже вдесятеро сильніші, ніж поширені напівпровідникові матеріали, перш ніж зазнати руйнування внаслідок одиничної радіаційної події. Водночас, як і в інших напівпровідниках, поріг руйнування знижується зі збільшенням енергії, яку важкий іон передає матеріалу.
Як одна частинка руйнує мікросхему
Поєднавши експериментальні результати з комп’ютерним моделюванням, команда створила модель, яка описує процес на мікроскопічному рівні.
Коли важкий іон проходить крізь напівпровідник, на його шляху утворюється ланцюжок позитивно й негативно заряджених частинок. Висока прикладена напруга змушує ці заряди рухатися в протилежних напрямках. Унаслідок цього в невеликій ділянці матеріалу різко зростає напруженість електричного поля.
Коли вона перевищує критичне значення, запускається лавиноподібне утворення електронів. У крихітній області виділяється величезна кількість енергії, яка фізично пошкоджує структуру пристрою та робить його непридатним до роботи.
Дослідники перевірили свою модель на вже відомих даних про руйнування різних напівпровідників. Розрахунки узгодилися з експериментальними результатами.
Крок до надійнішої електроніки
Розуміння механізму SEB може змінити підхід до створення електроніки для екстремальних умов. Замість того щоб покладатися переважно на випробування методом спроб і помилок, інженери зможуть використовувати нову модель для розробки конструкцій, стійкіших до радіаційного впливу.
Алюміній нітрид уже привертає увагу завдяки здатності витримувати високі температури, сильні електричні поля та радіаційне навантаження. Потенційні сфери його застосування — супутники, міжпланетні зонди, радарні системи й датчики для ядерних реакторів.
Нове дослідження не означає, що проблема радіаційного пошкодження електроніки вже вирішена. Однак воно дає інженерам важливий інструмент: змогу краще передбачати, за яких умов пристрій може вийти з ладу, і закладати захист від таких сценаріїв ще на етапі проєктування.