А.С. Пузанов1, И.Ю. Забавичев2, А.А. Потехин3, С.В. Оболенский4
1–4 ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ» (г. Саров, Россия)
1 puzanov@rf.unn.ru, 2 iyuzabavichev@niiis.nnov.ru, 3 potehinrf@gmail.com, 4 obolensk@rf.unn.ru

Постановка проблемы. Математические модели переноса носителей заряда, реализованные в современных зарубежных системах автоматизированного проектирования изделий микро- и наноэлектроники, не позволяют в полной мере учесть радиационные эффекты, комплексный характер которых становится существенным в субмикронных полупроводниковых структурах.

Цель. Разработать и провести верификацию программного комплекса физико-топологического моделирования переноса носителей заряда в субмикронных полупроводниковых структурах с учетом радиационного воздействия для расчетов переходных ионизационных процессов и долговременных изменений электрофизических характеристик в изделиях микро- и наноэлектроники.

Результаты. На основе континуальных и стохастических моделей переноса носителей заряда разработан программный комплекс для моделирования радиационных эффектов в субмикронных полупроводниковых структурах. Приведены некоторые прмеры его применения на оригинальных данных облучательных экспериментов.

Практическая значимость. Разработанный программный комплекс используется для анализа влияния радиационных эффектов на элементы микро- и наноэлектроники. Перспективной является его дальнейшая доработка для синтеза субмикронных полупроводниковых структур, оптимизированных по параметру радиационной стойкости.

Пузанов А.С., Забавичев И.Ю., Потехин А.А., Оболенский С.В. Программный комплекс физико-топологических моделей переноса носителей заряда при радиационном воздействии и его практические приложения // Успехи современной радиоэлектроники. 2026. T. 80. № 8. С. 86–101. DOI: https://doi.org/10.18127/j20700784-202608-12

1. Бубенников А.Н. Моделирование интегральных микротехнологий, приборов и схем. М.: Высшая школа. 1989. 320 с.
2. Мырова Л.О., Чепиженко А.З. Обеспечение стойкости аппаратуры связи к ионизирующим и электромагнитным излучениям. М.: Радио и связь. 1988. 296 с.
3. Ziegler J.F. SRIM-2003 // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B. 2004. V. 219–220. P. 1027–1036. doi: 10.1016/j.nimb.2004.01.208
4. Vvedensky D.D. Multiscale modeling of nanostructures // Journal of Physics: Condensed Matter. 2004. P. 1537–1576. doi: 10.1088/0953-8984/16/50/R01
5. Vasileska D., Goodnick S.M., Klimeck G. Computational Electronics: Semiclassical and Quantum Device Modeling and Simulation. Boca Raton: CRC Press, 2010. 784 p.
6. Lundstrom M. Fundamentals of carrier transport. Cambridge University Press, 2000. 434 p.
7. Забавичев И.Ю., Потехин А.А., Пузанов А.С., Оболенский С.В., Козлов В.А. Моделирование образования каскада смещений и переходных ионизационных процессов в кремниевых полупроводниковых структурах при нейтронном воздействии // Физика и техника полупроводников. 2019. Т. 53. № 9. С. 1279–1284. doi: 10.21883/FTP.2019.09.48139.23
8. Забавичев И.Ю., Пузанов А.С., Оболенский С.В. Влияние процесса формирования единичного кластера радиационных дефектов на проводимость канала транзисторной структуры // Физика и техника полупроводников. 2022. Т. 56. № 7. С. 637–641. doi: 10.21883/FTP.2022.07.52752.07
9. Хокни Р., Иствуд Дж. Численное моделирование методом частиц. М.: Мир. 1987. 640 с.
10. Забавичев И.Ю., Оболенская Е.С., Потехин А.А., Пузанов А.С., Оболенский С.В., Козлов В.А. Транспорт горячих носителей заряда в Si, GaAs, InGaAs и GaN субмикронных полупроводниковых структурах с нанометровыми кластерами радиационных дефектов // Физика и техника полупроводников. 2017. Т. 51. № 11. С. 1489–1492. doi: 10.21883/FTP.2017.11.45096.10
11. Пузанов А.С., Оболенский С.В. Особенности переноса электронов в биполярных транзисторных структурах с тонкой базой при воздействии потока квантов высоких энергий // Микроэлектроника. 2012. Т. 41. № 4. С. 304–312.
12. Пузанов А.С., Оболенский С.В., Козлов В.А. Разогрев и релаксация электронно-дырочного газа в треке первичного атом отдачи // Физика и техника полупроводников. 2020. Т. 54. № 8. С. 791–795. doi: 10.21883/FTP.2020.08.49627.03
13. Пузанов А.С., Оболенский С.В. Особенности стимулированного излучением пробоя p-n перехода с неоднородным легированием // Микроэлектроника. 2009. Т. 38. № 1. С. 64–74.
14. Зи С.М. Физика полупроводниковых приборов: В 2-х книгах. Кн. 1. М.: Мир. 1984. 456 с.
15. Van Roosbroeck W. Theory of the flow of electrons and holes in germanium and other semiconductors // Bell system technical journal. 1950. V. 29. № 4. P. 560–607. doi: 10.1002/j.1538-7305.1950.tb03653.x
16. Пузанов А.С., Оболенский С.В., Козлов В.А. Применение локально-неравновесной диффузионно-дрейфовой модели Каттанео-Вернотта для описания релаксации фототока в диодных структурах при воздействии субпикосекундных импульсов ионизирующих излучений // Физика и техника полупроводников. 2018. Т. 52. № 11. С. 1295–1299. doi: 10.21883/FTP.2018.11.46586.08
17. Constant E. Non-steady-state carrier transport in semiconductors in perspective with submicrometer devices // Hot-electron transport in semiconductors. Topics in Applied Physics. 1985. V. 54. P. 227–261. doi: 10.1007/3-540-13321-6_8
18. Stratton R. Diffusion of hot and cold electrons in semiconductor barriers // Physical Review. 1962. V. 126. № 6. P. 2002–2014. doi: 10.1103/PhysRev.126.2002
19. Blotekjaer K. Transport equations for in two-valley semiconductors // IEEE Transactions on electron devices. 1970. V. ED-17. № 1. P. 38–47. doi: 10.1109/T-ED.1970.16921
20. Wang C.T. A new set of semiconductor equations for computer simulation of submicron devices // Solid-State Electronics. 1985. V. 28. № 8. P. 783–788. doi: 10.1016/0038-1101(85)90065-6
21. Canali C., Jacoboni C., Nava F., Ottaviani G., Alberigi-Quaranta A. Electron drift velocity in silicon // Phys. Rev. B. 1975. V. 12. № 4. P. 2265–2284. doi: 10.1103/PhysRevB.12.2265
22. Jacoboni C., Reggiani L. The Monte Carlo method for the solution of charge transport in semiconductors with application to covalent materials // Rev. Mod. Phys. 1983. V. 55. № 3. P. 645–705. doi: 10.1103/RevModPhys.55.645
23. Tang J.Y. and Hess K. Impact ionization of electrons in silicon (steady state) // J. Appl. Phys. 1983. V. 54. № 9. P. 5139–5144. doi: 10.1063/1.332737
24. Fischetti M., Laux S. Monte Carlo analysis of electron transport in small semiconductor devices including band-structure and space-charge effects // Phys. Rev. B. 1988. V. 38. № 14. P. 9721–9745. doi: 10.1103/PhysRevB.38.972
25. Kotani T., Van Schilfgaarde M. Impact ionization rates for Si, GaAs, InAs, ZnS, and GaN in GW approximation // Phys. Rev. B. 2010. V. 81. 125201. doi: 10.1103/PhysRevB.81.125201
26. Григорьев Е.Г., Перлович Ю.А., Соловьев Г.И., Удовский А.Л., Якушин В.Л. Физическое материаловедение. Том 4. Физические основы прочности. Радиационная физика твердого тела. Компьютерное моделирование. М.: МИФИ. 2008. 696 с.
27. Gossik B.R. Disordered region in semiconductors bombarded by fast neutron // J. Appl. Phys. 1954. V. 30. № 9. P. 1214–1218. doi: 10.1063/1.1735295
28. Fleming R.M., Seager C.H., Lang D.V., Cooper P.J., Bielejec E., Campbell J.M. Effects of clustering on the properties of defects in neutron irradiated silicon // Journal of Applied Physics. 2007. V. 102. P. 043711. doi: 10.1063/1.2769783
29. Забавичев И.Ю., Пузанов А.С., Оболенский С.В., Козлов В.А. Влияние потенциала рассеяния на радиационных дефектах на перенос носителей заряда в GaAs-структурах // Физика и техника полупроводников. 2020. Т. 54. № 9. С. 945–951. doi: 10.21883/FTP.2020.09.49837.31
30. Behle A.F., Zuleeg R. Fast neutron tolerance of GaAs JFET's operating in the hot electron range // IEEE Transactions on Electron Devices. 1972. V. ED-19. № 8. P. 993–995. doi: 10.1109/T-ED.1972.17532
31. Tarasova E.A., Puzanov A.S., Bibikova V.V., Volkova E.V., Zabavichev I.Y., Obolenskaya E.S., Potekhin A.A., Obolensky S.V. The Physical Topological Modeling Of Single Radiation Effects In Submicron Ultrahigh-Frequency Semiconductor Diode Structures With Taking In Account The Heating Of An Electron-Hole Gas In The Charged Particle Track // Proceedings of the 33rd European Modeling & Simulation Symposium, EMSS. Volume Details Volume Title Proceedings of the 33rd European Modeling & Simulation Symposium (EMSS 2021) Conference Location and Date Online September 15-17, 2021 Conference ISSN 2724-0029 Volume ISBN 978-88-85741-57-7. 2021. P. 289–294. doi: 10.46354/i3m.2021.emss.040
32. Комаров Ф.Ф. Дефектообразование и трекообразование в твердых телах при облучении ионами сверхвысоких энергий // Успехи физических наук. 2003. Т. 173. № 12. С. 1287–1318. doi: 10.3367/UFNr.0173.200312b.1287
33. Пузанов А.С., Бибикова В.В., Забавичев И.Ю., Оболенская Е.С., Тарасова Е.А., Востоков Н.В., Оболенский С.В. Моделирование реакции низкобарьерного диода Мотта на воздействие тяжелых заряженных частиц космического пространства // Письма в журнал технической физики. 2021. Т. 47. № 6. С. 51–54. doi: 10.21883/PJTF.2021.06.50761.18607
34. Пузанов А.С., Бибикова В.В., Забавичев И.Ю., Оболенская Е.С., Потехин А.А., Тарасова Е.А., Востоков Н.В., Козлов В.А., Оболенский С.В. Моделирование реакции сверхвысокочастотного низкобарьерного неохлаждаемого диода Мотта на воздействие тяжелых заряженных частиц космического пространства и фемтосекундных лазерных импульсов // Физика и техника полупроводников. 2021. Т. 55. № 9. С. 743–747. doi: 10.21883/FTP.2021.09.51288.17
35. Пузанов А.С., Оболенский С.В., Козлов В.А. Перенос носителей заряда через тонкую базу гетеробиполярного транзистора при радиационном воздействии // Физика и техника полупроводников. 2015. Т. 49. № 1. С. 71–75.
36. Пузанов А.С., Оболенский С.В., Козлов В.А. Влияние случайных неоднородностей в пространственном распределении кластеров радиационных дефектов на перенос носителей заряда через тонкую базу гетеробиполярного транзистора при нейтронном воздействии // Физика и техника полупроводников. 2016. Т. 50. № 12. С. 1706–1712.
37. Забавичев И.Ю., Потехин А.А., Пузанов А.С., Оболенский С.В., Козлов В.А. Деградация характеристик биполярных транзисторов на основе GaAs с тонкой базой при возникновении в них нанометровых кластеров радиационных дефектов под действием нейтронного облучения // Физика и техника полупроводников. 2017. Т. 51. № 11. С. 1520–1524. doi: 10.21883/FTР.2017.11.45103.17
38. Шукайло В.П., Пудов В.П., Ткачев О.В., Дубровских С.М., Купырина Т.В., Березовский А.Г. Оценка величины разброса радиационной реакции биполярных транзисторов при нейтронном облучении // Вопросы атомной науки и техники. Сер.: Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. 2013. № 4. С. 84–87.
39. Шоболова Т.А., Коротков А.В., Петрякова Е.В., Липатников А.В., Пузанов А.С., Оболенский С.В., Козлов В.А. Сравнение радиационной стойкости перспективных биполярных и гетеробиполярных транзисторов // Физика и техника полупроводников. 2019. Т. 53. № 10. С. 1391–1394. doi: 10.21883/FTP.2019.10.48295.41
40. Пузанов А.С., Венедиктов М.М., Оболенский С.В., Козлов В.А. Расчетно-экспериментальное моделирование обратимых сбоев ячеек статической памяти субмикронных микросхем при воздействии потоков нейтронов // Физика и техника полупроводников. 2019. Т. 53. № 9. С. 1250–1256. doi: 10.21883/FTP.2019.09.48133.16
41. Забавичев И.Ю., Пузанов А.С., Оболенский С.В. Влияние процесса образования единичного кластера радиационных дефектов на переключение состояния транзисторной ячейки памяти // Физика и техника полупроводников. 2023. Т. 57. № 4. С. 270–275. doi: 10.21883/FTP.2023.04.55897.15k
42. Логинов Б.А., Блинников Д.Ю., Второва В.C., Кириллова В.В., Ляшко Е.А., Макеев В.С., Первых А.Р., Абросимова Н.Д., Забавичев И.Ю., Пузанов А.С., Волкова Е.В., Тарасова Е.А., Оболенский С.В. Особенности трансформации микрорельефа структур «кремний на изоляторе» при воздействии фотонных и корпускулярных излучений // Журнал технической физики. 2023. Т. 93. № 7. С. 1025–1031. doi: 10.21883/JTF.2023.07.55764.91-23
43. Пузанов А.С., Забавичев И.Ю., Абросимова Н.Д., Бибикова В.В., Волкова Е.В., Недошивина А.Д., Потехин А.А., Тарасова Е.А., Хазанова С.В., Логинов Б.А., Блинников Д.Ю., Второва В.С., Кириллова В.В., Ляшко Е.А., Макеев В.С., Первых А.Р., Оболенский С.В. Флуктуационный анализ микрорельефа поверхности структур «кремний на изоляторе» после радиационного воздействия // Физика и техника полупроводников. 2024. Т. 59. № 12. С. 668–675. doi: 10.61011/FTP.2024.12.59827.7548
44. Оболенский С.В., Волкова Е.В., Логинов А.Б., Логинов Б.А., Тарасова Е.А., Пузанов А.С., Королев С.А. Комплексное исследование кластеров радиационных дефектов в GaAs структурах после нейтронного воздействия // Письма в журнал технической физики. 2021. Т. 47. № 5. С. 38–41. doi: 10.21883/PJTF.2021.05.50676.18608
45. Волкова Е.В., Логинов А.Б., Логинов Б.А., Тарасова Е.А., Пузанов А.С., Королев С.А., Семеновых Е.С., Хазанова С.В., Оболенский С.В. Экспериментальные исследования модификаций характеристик GaAs-структур с контактами Шоттки после воздействия быстрых нейтронов // Физика и техника полупроводников. 2021. Т. 55. № 10. С. 846–849. doi: 10.21883/FTP.2021.10.51431.19
46. Голиков О.Л., Кодочигов Н.Е., Оболенский С.В., Пузанов А.С., Тарасова Е.А., Хазанова C.В. Анализ неоднородностей DpHEMT-структуры на основе GaAs/In0.53Ga0.47As после нейтронного воздействия // Микроэлектроника. 2024. Т. 53. № 1. С. 3–7. doi: 10.31857/S0544126924010017
47. Кривулин Д.О., Пашенькин И.Ю., Горев Р.В., Юнин П.А., Сапожников М.В., Грунин А.В., Захарова С.А., Леонтьев В.Н. Влияние радиационного воздействия на магнитные свойства пленок ферромагнетик/IrMn с обменным сдвигом // Журнал технической физики. 2023. Т. 93. № 7. С. 907–912. doi: 10.21883/JTF.2023.07.55744.72-23
48. Тарасова Е.А., Оболенский С.В., Хазанова С.В., Григорьева Н.Н., Голиков О.Л., Иванов А.Б., Пузанов А.С. Компенсация нелинейности сток-затворной вольт-амперной характеристики в полевых транзисторах с длиной затвора ~ 100 нм // Физика и техника полупроводников. 2020. Т. 54. № 9. С. 968–973. doi: 10.21883/FTP.2020.09.49841.35
49. Тарасова Е.А., Хазанова С.В., Голиков О.Л., Пузанов А.С., Оболенский С.В., Земляков В.Е. Анализ влияния спейсерных слоев на нелинейные искажения вольт-амперных характеристик pHEMT на основе соединения GaAlAs/InGaAs // Физика и техника полупроводников. 2021. Т. 55. № 10. С. 872–876. doi: 10.21883/FTP.2021.10.51436.35
50. Тарасова Е.А., Хазанова С.В., Голиков О.Л., Пузанов А.С., Оболенский С.В., Земляков В.Е. Анализ нелинейных искажений DpHEMT структур на основе соединения GaAs/InGaAs с двухсторонним дельта-легированием // Физика и техника полупроводников. 2022. Т. 56. № 9. С. 844–847. doi: 10.21883/FTP.2022.09.53402.37
51. Khazanova S.V., Golikov O.L., Puzanov A.S., Tarasova E.A., Zabavichev I.Y., Potekhin A.A., Obolenskaya E.S., Ivanov A.S., Paveliev D.G., Obolensky S.V. Calculating Current-Voltage Characteristics with Negative Differential Conductivity Sections of Superlattices Based on a GaAs/AlAs Compound with Different Numbers of Periods // Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. 2023. V. 87. № 6. P. 800–804. doi: 10.3103/s1062873823701964
52. Голиков О.Л., Забавичев И.Ю., Иванов А.С., Оболенский С.В., Оболенская Е.C., Павельев Д.Г., Потехин А.А., Пузанов А.C., Тарасова Е.А., Хазанова С.В. Перенос электронов в биполярном транзисторе со сверхрешеткой в области эмиттера // Микроэлектроника. 2024. Т. 53. № 1. С. 51–57. doi: 10.31857/S0544126924010051
53. Павельев Д.Г., Васильев А.П., Козлов В.A., Оболенская Е.С. Радиационная стойкость терагерцовых диодов на основе GaAs/AlAs-сверхрешеток // Физика и техника полупроводников. 2018. Т. 52. № 11. С. 1337–1345. doi: 10.21883/FTP.2018.11.46595.17
54. Иванов А.С., Павельев Д.Г., Оболенский С.В., Оболенская Е.С. Радиационная стойкость источника субтерагерцового излучения из гетеродина на генераторе на диоде Ганна и умножителя на полупроводниковой сверхрешетке // Журнал технической физики. 2021. Т. 91. № 10. С. 1501–1503. doi: 10.21883/JTF.2021.10.51362.133-21
55. Иванов А.С., Павельев Д.Г., Оболенский С.В., Оболенская Е.С. Радиационная стойкость источника субтерагерцового излучения после нейтронного воздействия // Физика и техника полупроводников. 2022. Т. 56. № 8. С. 770–773. doi: 10.21883/FTP.2022.08.53143.29
56. Кардона М. Основы физики полупроводников. М.: Физматлит. 2002. 560 с.
57. Валиев К.А., Вьюрков В.В., Орликовский А.А. Кремниевая наноэлектроника: проблемы и перспективы // Успехи современной радиоэлектроники. 2010. № 6. С. 7–22.
58. Пузанов А.С., Оболенский С.В., Козлов В.А., Волкова Е.В., Павельев Д.Г. Высокочастотное детектирование процессов формирования и стабилизации кластера радиационных дефектов в полупроводниковых структурах // Физика и техника полупроводников. 2015. Т. 49. № 12. С. 1585–1592.