Инжекция горячих носителей

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Это старая версия этой страницы, сохранённая MBHbot (обсуждение | вклад) в 06:24, 29 апреля 2016 (орфо, replaced: путем → путём). Она может серьёзно отличаться от текущей версии.
Перейти к навигации Перейти к поиску

Инжекция горячих носителей (англ. Hot-carrier injection) — это явление в устройствах твердотельной электроники, при котором электрон, или дырка получает достаточную кинетическую энергию для преодоления потенциального барьера, что необходимо для смены состояния. Термин «горячий» указывает на эффективную температуру, используемую для моделирования плотности носителей, и не относится к температуре устройства. Так как носители заряда могут быть пойманы затвором диэлектрика МОП-транзистора, то переключение характеристик транзистора может быть произведено навсегда. Инжекция горячих носителей является одним из механизмов, который отрицательно сказывается на надёжности полупроводниковых твердотельных устройств.[1]

Теория

Термин «инжекция горячих носителей» обычно указывает на применение технологии тунеллирования разогнанных электронов сквозь тонкую пленку диэлектрика в МОП-структуре. Технология применяется, например, для изменения заряда изолированных областей полупроводниковой структуры (так называемых карманов), выполняющих роль запоминающей ячейки в микросхемах EEPROM и флеш-памяти. Разгон электронов производится путём создания тока в проводящем канале. Канал, диэлектрик  (англ.) (рус. и карман образуют полевой транзистор.

Чтобы стать «горячим» и войти в зону проводимости диэлектрика, изготовленного из диоксида кремния SiO2, электрон должен получить кинетическую энергию примерно равную 3,2 эВ. Для дыр, валентная зона в этом случае смещается и диктует необходимость наличия энергии в 4,6 эВ. Термин «горячие электроны» происходит от эффективной температуры, используемой при моделировании плотности носителей (то есть с функцией Ферми-Дирака) и не относится к температуре полупроводника (который может быть физически холодным).

Первоначально термин «горячий электрон» введён для описания неравновесных электронов (или дырок) в полупроводниках.[2] В более широком смысле термин описывает распределение электронов в соответствии с функцией Ферми, но с повышенной эффективной температурой. Эта бо́льшая энергия влияет на подвижность носителей заряда и, как следствие, влияет на то, как они проходят через полупроводниковое устройство.[3]

«Горячие электроны» могут туннелировать из полупроводникового материала вместо рекомбинации с дыркой или проходить сквозь материал к коллектору. Последующими эффектами могут: быть увеличение тока утечки и возможное повреждение герметизирующего диэлектрического материала, если горячие носители нарушат атомную структуру диэлектрика.

Горячие электроны могут создаваться при условии ударов высокоэнергетических фотонов электромагнитного излучения (такого, как свет) о полупроводник. Энергия фотона может быть передана электрону, захватывая последнего из валентной зоны и образуя пару электрон-дырка. Если электрон получает энергию, достаточную чтобы оставить валентную зону и перейти в зону проводимости, то он становится горячим электроном. Такие электроны характеризуются высокими эффективными температурами. Из-за таких высоких эффективных температур горячие электроны очень подвижны и скорее всего смогут оставить полупроводник для перемещения к другим окружающим материалам.

В некоторых полупроводниковых приборах энергия, рассеиваемая горячими электронами от фотонов, является неэффективной и теряется в виде тепла. Например, некоторые солнечные элементы опираются на фотоэлектрические свойства полупроводников при преобразовании энергии света в электричество. В таких элементах эффект горячих электронов является причиной того, что часть энергии света теряется в виде тепла, а не преобразуется в электрическую энергию.[4]

В основном, горячие электроны возникают при низких температурах, даже в вырождающихся полупроводниках или металлах.[5] Есть ряд примеров для описания эффекта горячих электронов.[6] Простейшее предсказание электрон-фотонного взаимодействия основано на трёхмерной модели свободных электронов.[7][8] Модели эффекта горячих электронов иллюстрируют соотношение между рассеиваемой мощностью, температурой электронного газа и перегревом.

Влияние в транзисторах

В МОП-транзисторах горячие электроны имеют энергию, достаточную для туннелирования сквозь тонкий слой оксида затвора, что видно по току затвору или току утечки на подложке. Горячие электроны могут переходит из области канала или истока к затвору или к подложке.

Например, в МОМ-транзисторах, когда затвор имеет положительный заряд и схема включена, устройств разработано так, что электроны будут проходить через проводящий канал к истоку. Эти горячие электроны ничего не добавляют к величине тока, протекающего через канал, как им предназначено, а вместо этого уходят в ток утечки.

Попытки исправить или компенсировать эффект горячих электронов в МОП-транзисторах могут включать в себя размещение диода для обратного направления к затвору или другие манипуляции с устройством (например, использование слабо легированного истока или истоков с двойным легированием).

Когда электроны ускоряются в канале, то получают энергию по всей его длине. Эта энергия теряется двумя различными способами:

  1. Носитель ударяет атом в подложке. Тогда столкновение создаёт холодный носитель и дополнительную пару электрон-дырка. В случае nМОП-транзисторов дополнительные электроны собираются каналом и дополнительные дырки убираются подложкой.
  2. Носитель ударяет в связку Si-H и разрывает связь. Создаётся состояние интерфейса и атом водорода высвобождается из подложки.

Вероятность попадания в атом или в связь Si-H является случайной и средняя энергия всех вовлечённых в этот процесс элементов также случайна в обоих случаях.

Это является причиной того, почему ток подложки отслеживается во время ударов инжекции горячих электронов. Высокий ток подложки означает большое количество созданных пар электрон-дырка и, таким образом, эффективность разрыва связей Si-H.

Когда создано состояние интерфейса, пороговое напряжение изменяется и предпороговый наклон (англ. Subthreshold slope) снижается. Это приводит к снижению тока и ухудшает рабочую частоту интегральной схемы.

Масштабирование

Достижения в изготовлении полупроводников и постоянно растущий спрос на более быстрые и сложные интегральные схемы (ИС) привёл к появлению полевых транзисторов с МОП-структурой, масштабированных к малым размерам.

Однако, не было возможности пропорционально масштабировать источники питания, используемые для работы с этими ИС, из-за таких факторов, как совместимость со схемами предыдущего поколения, уровень помех, требования мощности и задержек, а также отсутствие масштабирования порогового напряжения, предпорогового наклона и паразитной ёмкости.

В результате внутренние электрические поля увеличиваются в агрессивно масштабируемых МОП-транзисторах, что даёт дополнительные преимущества с увеличением скоростей горячих носителей (до насыщения скоростной характеристики), и, следовательно, увеличение скорости переключения,[9] но также представляет собой серьёзную проблему надёжности для длительной эксплуатации этих устройств, так как высокие поля индуцируют инжекцию горячих носителей, которая влияет на надёжность устройства.

Большие электрические поля в МОП-транзисторах подразумевают наличие носителей высоких энергий, называемых «горячими носителями». Эти горячие носители обладают достаточно высокими энергиями и импульсом, что позволяет им быть «введёнными» из полупроводника в окружающие диэлектрические плёнки, такие как затвор и боковины, покрытые оксидами, в случае МОП-транзисторов с кремнием на изоляторе.

Влияние на надёжность

Наличие подвижных носителей в оксидных пленках запускает процессы деградации диэлектрика, которые через продолжительный период времени могут кардинально изменить характеристики устройства. Накопление повреждений может привести к неправильной работе схемы из-за изменения ключевых параметров транзистора (смещение порогового напряжения вследствие повреждения оксидной пленки). Деградация устройства по причине накопления повреждений от инжекции горячих носителей, получила название «деградация горячих носителей».

Таким образом, полезное время жизни схем и интегральных схем с подобными МОП-структурами зависит от срока службы самой МОП-структуры. Чтобы убедиться в том, что интегральные схемы, изготовленные с минимальной геометрией устройства, не имеют нарушений срока их минимальной полезной эксплуатации, должна быть хорошо изучена деградация их компонентов вследствие инжекции горячих носителей. Несоблюдение технологии точно характеризуется эффектами времени жизни компонентов с инжекцией горячих носителей и в конечном итоге неаккуратность при производстве влияет на деловые расходы, такие как производственная гарантия, стоимость поддержки, маркетинговые обещания и предполагаемые уровни производственных поставок производителем интегральных схем.

Отношение к радиации

Деградация компонентов с горячими носителями в основе своей такая же, как и от воздействия ионизирующего излучения, известного как общая доза ущерба в полупроводниках, опытным путём исследованного в космических системах при воздействии солнечных протонов, электронов, рентгеновских и гамма-лучей.

Применение во флеш-памяти

Инжекция горячих носителей является основой для изготовления энергонезависимой памяти, подобной технологии ячеек памяти EEPROM. Как только было признано влияние потенциального вреда инжекции горячих носителей на надёжность схемы, были разработаны несколько стратегий изготовления для уменьшения такого вреда без ущерба для производительности схемы.

Энергонезависимая память использует принцип инжекции горячих носителей путём их намеренного «вброса» через оксидный слой затвора для зарядки плавающего затвора. Этот заряд изменяет пороговое напряжение МОП-транзистора для представления логического состояния «0». Незаряженный плавающий затвор представляет логическое состояние «1». Стирание ячеек энергонезависимой флеш-памяти удаляет сохранённый заряд в ходе процесса туннелирования Фаулера — Нордгейма.

По причине того, что повреждения оксида происходят в ходе нормальной работы энергонезависимой памяти, повреждения инжекцией горячих носителей являются одним из факторов, ограничивающих число циклов записи-стирания. Так как возможность удерживать заряд и формировать дырки-ловушки в оксиде влияет на способность иметь различные состояния заряда «1» и «0», то результатом отключения энергонезависимой памяти будет возможность использовать её длительное время. Количество циклов перезаписи, при котором «1» и «0» уже не могут быть различимы, и определяет срок службы энергонезависимой памяти.

См. также

Ссылки

  • Статья о горячих носителях. Архивная копия от 13 февраля 2014 на Wayback Machine
  • IEEE International Reliability Physics Symposium — основная научно-техническая конференция по надёжности полупроводников, включая явление инжекции горячих носителей  (Дата обращения: 8 декабря 2014)

Примечания

  1. ↑ John Keane, Chris H. Kim, Transistor Aging, IEEE Spectrum, May 2011  (Дата обращения: 8 декабря 2014)
  2. ↑ Conwell, E. M., High Field Transport in Semiconductors, Solid State Physics Supplement 9 (Academic Press, New York, 1967).
  3. ↑ "Hot-Electron Effect in Superconductors and Its Applications for Radiation Sensors" (PDF). LLE Review. 87: 134. Архивная копия от 20 марта 2012 на Wayback Machine  (PDF)  (Дата обращения: 8 декабря 2014)
  4. ↑ Tisdale, W. A.; Williams, K. J.; Timp, B. A.; Norris, D. J.; Aydil, E. S.; Zhu, X.- Y. (2010). "Hot-Electron Transfer from Semiconductor Nanocrystals". Science. 328: 1543. Bibcode:2010Sci...328.1543T. doi:10.1126/science.1185509.
  5. ↑ Roukes, M.; Freeman, M.; Germain, R.; Richardson, R.; Ketchen, M. (1985). "Hot electrons and energy transport in metals at millikelvin temperatures". Physical Review Letters. 55: 422. Bibcode:1985PhRvL..55..422R. doi:10.1103/PhysRevLett.55.422.
  6. ↑ Falferi, P; Mezzena, R; Mück, M; Vinante, A (2008). "Cooling fins to limit the hot-electron effect in dc SQUIDs". Journal of Physics: Conference Series (free download). 97: 012092. Bibcode:2008JPhCS..97a2092F. doi:10.1088/1742-6596/97/1/012092. {{cite journal}}: |format= требует |url= (справка)
  7. ↑ Wellstood, F.; Urbina, C.; Clarke, John (1994). "Hot-electron effects in metals". Physical Review B. 49: 5942. Bibcode:1994PhRvB..49.5942W. doi:10.1103/PhysRevB.49.5942.
  8. ↑ Qu, S.-X.; Cleland, A.; Geller, M. (2005). "Hot electrons in low-dimensional phonon systems". Physical Review B. 72. arXiv:cond-mat/0503379. Bibcode:2005PhRvB..72v4301Q. doi:10.1103/PhysRevB.72.224301.
  9. ↑ Richard C. Dorf (ed) The Electrical Engineering Handbook, CRC Press, 1993 ISBN 0-8493-0185-8 page 578
Источник — https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=Инжекция_горячих_носителей&oldid=78069948