Миниатюрная электроника сильнее всего страдает от радиации

Исследование, проведенное Эндрю Штайгервальдом под руководством профессора Нормана Толка, опиралось на новый подход к оценке повреждений радиоэлектроники. Ранее такие оценки делались при помощи анализа деформаций и дефектов на атомарном уровне, но полупроводник в первую очередь работает с электронами, а среди них анализ возмущений в результате воздействия радиации ранее не проводился.

Чтобы оценить ситуацию среди электронов, специалисты использовали когерентную акустическую фононную спектроскопию (сoherent acoustic phonon spectroscopy, CAPS). В ходе работы при помощи фемтосекундных лазеров создавались короткие импульсы, которыми «обстреливалась» поверхность полупроводника, генерируя волны, проходящие сквозь исследуемый материал. Затем второй лазер воздействовал на тот же кусок материала, измеряя интенсивность вызванной первым лазером волны и её силу. По вариациям в отражаемых импульсах второго лазера исследователи обнаружили колебания в нормальном размещении электронов в полупроводнике.

При подобном обследовании галлий-арсенидных полупроводников, «обстреливаемых» атомами неона высоких энергий, выяснилось, что после захвата одного атома неона около 1 000 атомов полупроводника подвергаются структурному воздействию, делающему их нефункциональными.

Эти данные десятикратно превосходят самые пессимистические результаты предыдущих исследований. Они особенно важны в связи с продолжающейся миниатюризацией, способной подвести компьютеры к атомарному уровню транзисторов. Уже сейчас средний транзистор может состоять всего из нескольких тысяч атомов, а в некоторых областях, таких как солнечная энергетика, ведутся эксперименты по использованию квантовых точек (микроскопических кусочков полупроводников), состоящих всего из сотен атомов каждая. В гелиоэнергетике воздействие радиации — вещь неотъемлемая, и недостаточное понимание масштабов урона дезориентировало исследователей, делавших ставку на квантовые точки.

«Наши результаты могут объяснить недавние исследования, обнаружившие, что такие фотоэлементы на квантовых точках менее эффективны, чем предсказывалось», — отмечает Штайгервальд.

Более того, оптоэлектроника, связанная с систематическим воздействием радиации на полупроводники, также в значительной степени подвержена недооценивавшемуся ранее эффекту радиационной деградации своих компонентов. В ней, как и в микроэлектронике в целом, следует защищать полупроводники от радиационного воздействия, иначе существенного прогресса на пути миниатюризации ждать не приходится, подчеркивают исследователи в Journal of Applied Physics.