En la actualidad, el avance de la tecnología y la creciente demanda de dispositivos electrónicos de alta eficiencia y mayor rendimiento ha llevado al desarrollo de semiconductores de banda prohibida ancha y ultraancha. Sin embargo, a medida que estos semiconductores se hacen más complejos y poderosos, también se enfrentan a desafíos significativos, como la degradación inducida por la radiación. En este artículo, exploraremos cómo abordar este problema crucial y garantizar el rendimiento y la durabilidad de estos semiconductores prometedores. ¡Descubre las estrategias y enfoques innovadores que están revolucionando la industria de los semiconductores en este fascinante campo!
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Los semiconductores de banda ancha han demostrado ser revolucionarios en numerosas industrias y ofrecen una variedad de ventajas que los hacen invaluables en el mundo actual impulsado por la tecnología. Una de sus características clave es su excepcional tolerancia a las altas temperaturas. Materiales como el carburo de silicio y el nitruro de galio pueden soportar el calor extremo, lo que los hace ideales para aplicaciones donde los semiconductores tradicionales basados en silicio fallarían estrepitosamente. Esta cualidad es particularmente importante en industrias como la aeroespacial y la automotriz, donde las fluctuaciones de temperatura pueden ser significativas. Los semiconductores de banda prohibida amplia permiten a estos sectores desarrollar sistemas electrónicos robustos y fiables que pueden funcionar incluso en los entornos más exigentes.
Además, los semiconductores de banda ancha son conocidos por su capacidad para manejar altos voltajes y proporcionar una excelente eficiencia de conversión de energía. Debido a su capacidad para cambiar rápidamente entre encendido y apagado, son más adecuados para aplicaciones de alta frecuencia, como sistemas de radar y comunicaciones por RF. Además, su reducida susceptibilidad al daño por radiación abre la puerta a aplicaciones en las industrias aeroespacial, nuclear y de defensa, al tiempo que contribuye a una vida útil más larga. En general, los semiconductores de banda ancha están impulsando la innovación y transformando las industrias al ofrecer un mayor rendimiento, una huella más pequeña y un mejor desempeño ambiental.
Sin embargo, los semiconductores de banda ancha como el SiC son más susceptibles al daño por radiación, lo que afecta su capacidad para resistir el entorno de rayos cósmicos galácticos del espacio. Además, estos semiconductores experimentan efectos de evento único y desgaste de eventos individuales bajo radiación. Los dos tipos principales de defectos en los semiconductores de banda prohibida debidos a la radiación son la falla de dosis total y la falla de evento único, que son únicos y causan daños a los datos en el semiconductor o causan grupos de defectos, daños estructurales, bucles de grupos de dislocaciones y vacantes. El tipo de daño por radiación infligido al semiconductor también es de vital importancia, ya que las nuevas generaciones de dispositivos son extremadamente pequeños y un solo ion de alta energía o rayo gamma es más que suficiente para causar una falla única, lo que podría provocar que un semiconductor se incline. sobre Bit de 0 a 1.
Ⅰ. Un breve examen de los daños por radiación y los posibles materiales que se pueden utilizar para prevenirlos.
El daño por radiación es una de las causas más comunes de falla en los semiconductores del WBG, lo que provoca defectos estructurales y pérdida de datos. Por lo tanto, es importante comprender los procesos de daño y cómo se ven afectados los diferentes materiales. Además de los defectos relacionados con los procesos de crecimiento, los defectos de los materiales relacionados con la radiación surgen de efectos electrónicos, incluida la ionización, la transferencia de carga y el daño por desplazamiento nuclear. Además, los aisladores utilizados en aplicaciones de voltaje de compuerta para estructuras de transistores también pueden resultar dañados. Las partículas de alta energía y la radiación electromagnética como los láseres y los rayos X provocan una transferencia lineal inelástica de energía a la estructura electrónica, lo que da como resultado la generación de electrones de alta energía, que a su vez conducen a la ionización y excitación. Estos electrones liberan inicialmente su energía a través de una secuencia de transferencias de energía electrón-electrón, lo que conduce a la formación de pares electrón-hueco en muy poco tiempo. Posteriormente, gran parte de esta energía se transfiere a la estructura atómica mediante el acoplamiento electrón-fonón, creando picos térmicos localizados en una escala de tiempo de menos de 300 femtosegundos. Finalmente, este proceso también conduce a excitaciones electrónicas localizadas que potencialmente pueden destruir o alterar los enlaces iónicos o covalentes, aumentar la movilidad de los átomos y los defectos y aumentar el nivel de energía del sistema en general.
A medida que los iones penetran en el material durante la irradiación, pierden energía principalmente mediante detención electrónica y siguen una trayectoria recta. Sin embargo, para iones excepcionalmente ligeros como el hidrógeno y el helio, las colisiones nucleares esporádicas con átomos objetivo más pesados pueden producir resultados más aleatorios. A medida que la energía del ion disminuye, la probabilidad de colisiones con los núcleos aumenta y eventualmente se convierte en el mecanismo dominante de disipación de energía. Cuando los átomos reciben importantes energías de retroceso, son removidos de sus posiciones en la red, lo que desencadena una secuencia de nuevas colisiones en la red. Estas inundaciones por colisión son la principal causa de daños.
Los iones crean predominantemente defectos puntuales, que normalmente surgen inmediatamente después de la irradiación. En la fase final de la irradiación suelen producirse interacciones entre varios átomos. Esto es una consecuencia de la detención tanto nuclear como electrónica, que ralentiza los iones de alta energía y retrocede hasta que alcanzan velocidades térmicas inferiores a 1 electrón voltio. En esta etapa, chocan con varios átomos a la vez, un fenómeno llamado colisiones de muchos cuerpos. Por otro lado, la recombinación por defectos térmicos ocurre cuando los átomos regresan a su estado cristalino más alto, lo que no produce daños en la red. La recombinación eficiente de los átomos desplazados está influenciada significativamente por la temperatura de irradiación y también depende en gran medida de la banda prohibida del semiconductor y del tipo de enlace atómico.
Los materiales de última generación actuales, como se muestra en la Figura 1, fueron diseñados para desarrollar resistencia al daño por radiación.
Figura 1 Parámetros cruciales de varios semiconductores de banda ancha.
Se puede ver claramente que los materiales recientemente desarrollados tienen campos de ruptura eléctrica significativamente mayores en comparación con los semiconductores de Si convencionales, lo que les permite tener capas más delgadas, mejores capacidades de bloqueo de voltaje y una mayor concentración de dopaje. Además, estos materiales recientemente desarrollados son adecuados para diferentes aplicaciones, como se muestra en la Figura 2.
Figura 2 Diagrama de araña de varios materiales de banda prohibida ultra ancha y banda prohibida ancha adecuados para diferentes aplicaciones.
Ⅱ. Diploma
Los daños por radiación representan una gran amenaza para la integridad y funcionalidad de los semiconductores de banda ancha, lo que provoca defectos estructurales y una posible pérdida de datos. Para abordar eficazmente este problema, es importante comprender los detalles de los procesos de daño y sus diferentes efectos en diferentes materiales. El aumento de los defectos inducidos por la radiación está asociado con una compleja red de efectos electrónicos, que incluyen ionización, transferencia de carga y daños por desplazamiento del núcleo. Las partículas de alta energía y la radiación electromagnética inducen la excitación de los electrones, lo que conduce a la formación de pares electrón-hueco en muy poco tiempo. Luego, la energía se disipa en la estructura atómica, creando picos térmicos locales y excitaciones electrónicas que pueden destruir los enlaces atómicos y aumentar los niveles de energía del sistema, lo que provoca fallas en los semiconductores. Por otro lado, los materiales de banda prohibida ancha y ultra ancha recientemente desarrollados mostraron una resistencia impresionante al daño por radiación en comparación con los semiconductores tradicionales basados en Si, principalmente debido al aumento del campo eléctrico y la capacidad de respuesta al endurecimiento por radiación.
Para mitigar el daño por radiación en semiconductores de banda ancha, se utilizan diversas prácticas y estrategias. Esto incluye el desarrollo de materiales y diseños semiconductores endurecidos por radiación que se adapten específicamente a la exposición a la radiación. La ingeniería de materiales avanzada, incluida la incorporación de sustratos tolerantes a la radiación, puede reducir significativamente la susceptibilidad de los semiconductores WBG a defectos relacionados con la radiación. Además, los componentes semiconductores pueden protegerse de los daños por radiación aplicando revestimientos protectores, como materiales de encapsulación resistentes a la radiación.
