Группа физиков доказала, что деградация полупроводниковой электроники начинается не из-за накопительного износа под действием тока, а из-за квантовых процессов, связанных с электронами определенной энергии.
- Исследование опубликовано в журнале Physical Review B.
- Разрыв связей в материале электроники вызывается электронами с энергией около 7 электронвольт.
- Ключевой процесс происходит на границе кремний — оксид, где разрушается связь кремний — водород.
- Деградация не зависит от температуры, но замедляется в 100 раз при использовании дейтерия вместо водорода.
- Обнаружен квантовый характер движения водорода при разрыве связей, что меняет представления о механизмах износа.
Квантовый механизм повреждения электроники
Современные электронные устройства содержат транзисторы, размер которых достигает нескольких атомных слоев. При работе через них постоянно протекает электрический ток, вызывающий нагрев и постепенное разрушение химических связей в материале. Ранее считалось, что эти повреждения накапливаются из-за множества электронов, «ударяющих» атомы, постепенно ослабляя связи. Однако новая работа показала, что достаточно одного электрона с определенным энергетическим состоянием, чтобы инициировать разрушение связи между кремнием и водородом.
В ходе экспериментов ученые изучили границу раздела кремний — оксид, где водород используется для «запечатывания» незакрытых кислородом связей кремния. Выяснилось, что при прохождении тока электроны могут занимать ранее неизвестное энергетическое состояние, ослабляя связь и вытесняя атом водорода. Этот процесс имеет квантовую природу — водород ведет себя не как классическая частица, а как волновой пакет, и вероятность разрыва связи зависит от вероятности выхода этого волнового пакета за определённую границу.
Влияние изотопа и перспективы для электроники
Особое внимание ученые уделили эффекту замедления деградации при замене водорода дейтерием — его изотопом с дополнительным нейтроном. Такая замена замедляет процесс разрушения в 100 раз, что открывает перспективы для создания более долговечных электронных кмпонентов.
Исходя из полученных данных, специалисты разработали модель, которая полностью описывает физические процессы, вызывающие деградацию полупроводников. Это позволит производителям улучшать защиту и проектирование электроники, уменьшая риск преждевременного выхода устройств из строя и продлевая срок их службы.
- Ток протекает через транзистор, вызывая нагрев и износ.
- Электрон занимает квантовое состояние с энергией около 7 эВ.
- Ослабляется связь кремний — водород на границе кремний — оксид.
- Водород вытесняется, что приводит к появлению дефектов.
- Использование дейтерия замедляет процесс деградации в 100 раз.