Ученые из Университета штата Северная Каролина (NC State) разобрались в давней физической загадке: почему электронные устройства иногда полностью выходят из строя при облучении. Результаты работы опубликованы в журнале IEEE Transactions on Nuclear Science. Понимание этого механизма может помочь создавать электронику, способную работать в экстремальных условиях - от ядерной энергетики до космоса.

В центре внимания оказался нитрид алюминия (AlN) - полупроводник с так называемой сверхширокой запрещенной зоной. Это означает, что материал может выдерживать большие электрические нагрузки, а значит, теоретически подходит для работы в радиоактивной среде. Чтобы проверить это, исследователи изучали явление, известное как "одиночное радиационное выгорание" (single-event burnout, SEB). Так называют катастрофический отказ устройства, когда одна высокоэнергетичная частица радиации вызывает необратимое повреждение и прибор перестает работать. SEB возникает при подаче высокого напряжения на устройство, находящееся под облучением. Разные приборы выдерживают разное напряжение до наступления этого эффекта.

"Мы хотели охарактеризовать электронику на основе AlN, которую мы разработали, чтобы понять, какую мощность она выдерживает до SEB", - говорит Кристян Киньонес, ведущий автор статьи, недавний выпускник NC State. По его словам, конструкция прибора влияет на то, какое напряжение выдерживает полупроводник. Поэтому для сравнения материалов нужно смотреть не на напряжение, а на напряженность электрического поля. Оказалось, что AlN способен выдерживать значительно более высокие поля, чем другие полупроводники.

Чтобы объяснить наблюдения, ученые проанализировали свои данные вместе с уже имеющейся информацией о SEB в других материалах и с помощью компьютерного моделирования построили аналитическую модель, описывающую физику процесса. "Раньше мы знали, что SEB происходит, и могли проверять, насколько устройство устойчиво, - говорит Киньонес. - Теперь мы знаем, почему".

Механизм таков: при облучении тяжелые ионы проходят сквозь материал и создают носители заряда. Под действием приложенного напряжения положительные и отрицательные заряды разделяются, возникает локальное электрическое поле. Когда оно достигает критической величины, начинается лавинообразный рост числа электронов, что приводит к выделению большого количества энергии на крошечной площади - по сути, к микровзрыву. Это и есть SEB.

"Понимание физики SEB важно, потому что оно позволяет целенаправленно создавать материалы и приборы, устойчивые к радиации, - объясняет соавтор Рамон Кольясо, профессор материаловедения и инженерии в NC State. - Раньше мы не могли этого делать, так как не знали, что именно происходит в деталях. Теперь мы можем разработать правила проектирования, чтобы защитить устройства от радиации и минимизировать ущерб от SEB".

Исследователи проверили свою модель на данных о SEB, полученных для других устройств и материалов, и она хорошо описала наблюдения. "Наша модель объяснила все, что мы видели", - отмечает Киньонес. По словам Кольясо, модель может стать ценным инструментом для создания устройств, применяемых в ядерной энергетике, космических исследованиях, биомедицинских технологиях и экспериментах по термоядерному синтезу.

Источник: Tech Xplore