Разрушение химических связей в материалах, используемых в электронике, происходит не вследствие постепенного износа, вызванного током, а под воздействием электронов, обладающих определенной энергией.
Современная электроника базируется на полупроводниковых материалах. Производители способны создавать настолько миниатюрные транзисторы, что критически важную роль играют даже несколько слоев атомов. Транзисторы и диоды должны функционировать в условиях непрерывного тока и переключений, что вызывает нагрев и постепенную деградацию устройств на фундаментальном уровне – повреждаются химические связи внутри электронных компонентов.
На долговечность электронных компонентов оказывает влияние инжекция горячих носителей. В процессе этого электроны или дырки приобретают энергию, способную вызвать химические изменения в транзисторе. Долгое время физические основы этого явления оставались невыясненными.
Физики установили квантовый механизм, запускающий деградацию вследствие воздействия горячих носителей заряда. Выяснилось, что разрыву химических связей способствуют электроны, обладающие определенной энергией. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review B.
Исследователи детально изучили взаимодействие кремния и водорода на границе раздела кремний-оксид внутри транзистора. Водород намеренно вводят в состав материала при производстве электроники для «запечатывания» дефектов в структуре кремния, которые не смогли устранить молекулы кислорода. Неустраненные дефекты приводят к нежелательным изменениям в работе электронных компонентов.
Непрерывная утечка тока через транзистор может вызвать образование водорода отсоединяется, а паразитные связи оказываются явными. Ранее специалисты полагали, что подобное разрушение связей — это совокупный итог воздействия большого количества электронов.
Физики установили, что причиной этого разрыва оказался единственный электрон. Данная частица способна занять особое, ранее скрытое электронное состояние, ослабить связь кремний — водород и вытолкнуть атом водорода. Энергия этого состояния составила примерно семь электронвольт, что согласуется с экспериментальными данными.
В ходе исследований было установлено, что при разрыве связи водород начинает проявлять свойства, обусловленные квантово-механическими принципами, а не классическими. В случае, если бы водород следовал классическим закономерностям, можно было бы установить простой критерий разрыва связи, основанный на расстоянии между атомами кремния и водорода. Однако водород демонстрирует поведение, больше похожее на облако или волновой пакет, и разрыв связи определяется вероятностью выхода волнового пакета водорода за установленное расстояние.
В ходе исследований было установлено, что скорость разрушения электронных компонентов не связана с температурой окружающей среды и снижается в сотни раз при замене водорода на дейтерий – изотоп водорода, содержащий дополнительный нейтрон в ядре. На основании полученных данных физики разработали модель, способную объяснить все выявленные закономерности. Специалисты полагают, что достигнутая степень детализации в понимании физики деградации будет полезна как научным работникам, так и производителям проектировать и защищать электронику.