RU2638107C1

RU2638107C1 - Method of imitation testing instrument structure resistance to irradiation by fast neutrons (versions)

Info

Publication number: RU2638107C1
Application number: RU2016135986A
Authority: RU
Inventors: Давид Исаакович Тетельбаум; Давуд Вадимович Гусейнов; Алексей Николаевич Михайлов; Алексей Иванович Белов; Дмитрий Сергеевич Королев; Сергей Владимирович Оболенский; Александр Николаевич Качемцев; Юрий Александрович Данилов; Ольга Викторовна Вихрова; Александр Николаевич Шарапов
Priority date: 2016-09-07
Filing date: 2016-09-07
Publication date: 2017-12-11

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: instrument structure is affected by equivalent irradiation with ions and fluency of 10⁹ cm^-2 up to 10¹⁵ cm^-2 and energy in the range of 1-500 Kev specified depending on the composition and morphology of the structure, while updating the value of fluence and ion energy that is the equivalent, determined by calculation, by computer modelling the distribution and concentration of displaced atoms during ion irradiation in the sensitive areas of the instrument structures and comparisons with results of the same computer simulation for fast neutron irradiation. To establish the correctness of calculation of equivalent fluence, fluence of ion irradiation is chosen, where a change in the main parameters exceeds the sensitivity threshold controls of the main parameters, the corresponding equivalent irradiation fluence with fast neutrons is determined, a one-time field test is conducted by irradiation of the instrument structures with fast neutrons at equivalent fluence, the resulting deviation of the main parameters is compared to the deviation for the selected fluence of ion irradiation and according to the comparison result the correctness of the calculation of equivalent fluence is judged.

EFFECT: increasing the reliability of test results, reducing test time, using the equipment available to researchers.

8 cl, 13 dwg, 2 tbl

Description

Группа изобретений относится к способам имитационного тестирования изделий микро- и наноэлектроники и предназначена для экспрессной оценки чувствительности параметров приборных структур к воздействию нейтронных потоков.The group of inventions relates to methods for simulation testing of products of micro- and nanoelectronics and is intended for rapid assessment of the sensitivity of the parameters of instrument structures to the effects of neutron fluxes.

Радиационная стойкость электронно-компонентной базы приборов микро- и наноэлектроники является важным качеством, определяющим их пригодность для функционирования в полях проникающей радиации, например в космосе и/или реакторных установках.The radiation resistance of the electronic component base of micro- and nanoelectronic devices is an important quality that determines their suitability for functioning in the fields of penetrating radiation, for example in space and / or reactor facilities.

Одним из наиболее важных факторов радиационного повреждения является воздействие потоков быстрых нейтронов. При разработке новых или адаптации старых технологий создания приборов и схем возникает задача экспрессной оценки чувствительности параметров структур и их составных частей к воздействию нейтронных потоков. Поскольку прямые испытания в реальных условиях космического или реакторного облучения обычно недоступны для исследователей, то оценка радиационной стойкости может быть проведена путем применения имитационных испытаний. Так как при облучении быстрыми нейтронами дефекты создаются атомами отдачи, такая экспрессная оценка может быть выполнена без проведения натурных испытаний для каждой партии изделий данного типа, если в качестве источника повреждающего излучения использовать ионные пучки, то есть осуществить ионно-лучевую имитацию. Для оценки адекватности такой имитации и выбора ее режимов проводят сравнительные расчеты, позволяющие определять степень радиационного повреждения тех или иных компонентов электронных схем при двух видах облучения - быстрыми нейтронами и ускоренными ионами. Предлагаемый способ удобен тем, что позволяет использовать стандартные ионно-лучевые установки, применяемые во многих исследовательских центрах и в промышленности, вместо дорогостоящих и малодоступных источников нейтронного излучения.One of the most important factors in radiation damage is the impact of fast neutron fluxes. When developing new or adapting old technologies for creating devices and circuits, the task of expressly assessing the sensitivity of structure parameters and their components to neutron fluxes arises. Since direct tests in real space or reactor irradiation conditions are usually inaccessible to researchers, the radiation resistance can be assessed using simulation tests. Since defects are created by recoil atoms during fast neutron irradiation, such an express assessment can be performed without field tests for each batch of products of this type, if ion beams are used as a source of damaging radiation, i.e., ion beam imitation is performed. To assess the adequacy of such a simulation and choose its modes, comparative calculations are performed to determine the degree of radiation damage to various components of electronic circuits under two types of irradiation - fast neutrons and accelerated ions. The proposed method is convenient in that it allows the use of standard ion beam installations used in many research centers and in industry, instead of expensive and inaccessible sources of neutron radiation.

Ввиду того, что испытания на моделирующих установках, как правило, являются дорогостоящими ввиду сложности и большой стоимости моделирующей установки, а также необходимости привлечения для их обслуживания большого количества квалифицированного персонала, в ряде случаев целесообразно использовать имитационные испытания (тестирования) приборных структур (изделий), которые проводятся на более простом в обслуживании оборудовании. Так, с помощью лазерного облучения можно добиться в приборных структурах эффектов, аналогичных по своим проявлениям и последствиям для изделия эффектам при воздействии короткого импульса гамма-излучения (см. например, патенты US 7375332 В1, опубл. 20.05.2008; US 8481345 В1, опубл. 09.07.2013). Однако при использовании в качестве имитатора лазера необходимо работать с изделиями без корпуса из-за большого поглощения излучения лазера в металлах.Due to the fact that tests on modeling plants are usually expensive due to the complexity and high cost of the modeling installation, as well as the need to attract a large number of qualified personnel to service them, in some cases it is advisable to use simulation tests (tests) of instrument structures (products), which are carried out on easier maintenance equipment. Thus, using laser irradiation, it is possible to achieve effects in the instrument structures that are similar in their manifestations and effects to the product when exposed to a short gamma radiation pulse (see, for example, US Pat. Nos. 7,375,332 B1, published May 20, 2008; US 8481,345 B1, publ. 07/09/2013). However, when used as a laser simulator, it is necessary to work with products without a case due to the large absorption of laser radiation in metals.

Также из уровня техники известен способ испытаний полупроводниковых приборов, в частности фотоприемников по патенту RU 2168239 С2, кл.Н01L 21/66, опубл. 27.05.2001.Also known from the prior art is a method of testing semiconductor devices, in particular photodetectors according to patent RU 2168239 C2, CL HL 21/66, publ. 05/27/2001.

Способ включает облучение импульсным гамма-нейтронным реакторным излучением со средней энергией нейтронов 1-3 МэВ и измерение фотоэлектрических параметров до и после облучения, по изменению которых определяется радиационная стойкость фотоприемников. Стойкость к протонному и электронному излучениям определяется по результатам испытаний на стойкость к импульсному гамма-нейтронному излучению реактора со средней энергией нейтронов 1-3 МэВ с коэффициентами пересчета потоков реакторных нейтронов со средней энергией нейтронов 1-3 МэВ к потокам протонов с энергией 64 МэВ (К=1-5), к потокам протонов с энергией 20-21 МэВ (К=2-10), к потокам протонов с энергией 6 МэВ (К=9-20, к потокам электронов с энергией 4-5 МэВ (К=0,1-1).The method includes irradiation with pulsed gamma-neutron reactor radiation with an average neutron energy of 1-3 MeV and measuring the photoelectric parameters before and after irradiation, the change in which determines the radiation resistance of the photodetectors. Resistance to proton and electron radiation is determined by the results of tests for resistance to pulsed gamma-neutron radiation of a reactor with an average neutron energy of 1-3 MeV with conversion factors for reactor neutron fluxes with an average neutron energy of 1-3 MeV to proton fluxes with an energy of 64 MeV (K = 1-5), to proton fluxes with an energy of 20-21 MeV (K = 2-10), to proton fluxes with an energy of 6 MeV (K = 9-20, to electron fluxes with an energy of 4-5 MeV (K = 0 , 1-1).

Недостатками способа являются, во-первых, использование для моделирования дорогостоящих и малодоступных установок, создающих гамма-нейтронное реакторное излучение, а во-вторых, использование реакторного гамма-нейтронного излучения вместо электронного и протонного облучений существенно меняет механизм дефектообразования в исследуемой структуре. В случае реакторного облучения преобладает механизм, обусловленный смещением атомов из узлов решетки при атомном столкновении, в то время как при использовании высокоэнергетического протонного и электронного облучений преобладает механизм ионизации вещества. Поэтому совпадение результатов электронного и протонного облучения, с одной стороны, и облучение гамма-нейтронным реакторным излучением, с другой, может иметь место только для некоторых конкретных типов приборов.The disadvantages of the method are, firstly, the use for modeling expensive and inaccessible installations that create gamma-neutron reactor radiation, and secondly, the use of reactor gamma-neutron radiation instead of electron and proton irradiation significantly changes the mechanism of defect formation in the studied structure. In the case of reactor irradiation, the mechanism prevails due to the displacement of atoms from the lattice sites during atomic collisions, while when using high-energy proton and electron irradiation, the mechanism of ionization of the substance prevails. Therefore, the coincidence of the results of electron and proton irradiation, on the one hand, and irradiation with gamma-neutron reactor radiation, on the other hand, can take place only for some specific types of devices.

Наиболее близким по технической сущности и получаемому результату к предлагаемой группе изобретений является способ испытаний полупроводниковых приборов, в частности фотоприемников по патенту RU 2168240 С1, кл. Н01 L 21/66, G01R 31/26, опубл. 27.05.2001, включающий: облучение потоками импульсного гамма-нейтронного излучения со средней энергией нейтронов (1,0-3,0) МэВ, измерение параметров до и после облучения, по изменению которых определяется радиационная стойкость фотоприемников. Стойкость к нейтронному излучению с энергией 14 МэВ определяют по результатам испытаний на стойкость к импульсному гамма-нейтронному излучению со средней энергией нейтронов (1,0-3,0) МэВ с коэффициентом пересчета потоков реакторных нейтронов к потокам нейтронов с энергией 14 МэВ (К=0,8-3). Данный способ близок к предлагаемому тем, что он, во-первых, определяет чувствительность параметров к видам облучения, вызывающим смещения атомов, в частности к нейтронному, и, во-вторых, включает пересчет от одного вида облучения к другому. Однако и этот способ обладает тем недостатком, что требует использования дорогостоящих и малодоступных установок.The closest in technical essence and the result to the proposed group of inventions is a method for testing semiconductor devices, in particular photodetectors according to patent RU 2168240 C1, cl. H01 L 21/66, G01R 31/26, publ. 05/27/2001, including: irradiation with fluxes of pulsed gamma-neutron radiation with an average neutron energy (1.0-3.0) MeV, measurement of parameters before and after irradiation, the change in which determines the radiation resistance of photodetectors. Resistance to neutron radiation with an energy of 14 MeV is determined by the results of tests for resistance to pulsed gamma-neutron radiation with an average neutron energy of (1.0-3.0) MeV with a conversion factor of reactor neutron fluxes to neutron fluxes with an energy of 14 MeV (K = 0.8-3). This method is close to the proposed one in that, firstly, it determines the sensitivity of the parameters to the types of radiation that cause atomic displacements, in particular to the neutron one, and, secondly, includes conversion from one type of radiation to another. However, this method also has the disadvantage that it requires the use of expensive and inaccessible installations.

В задачу настоящей группы изобретений положено создание нового универсального способа имитационного тестирования стойкости приборной структуры к облучению быстрыми нейтронами.The task of this group of inventions is the creation of a new universal method of simulation testing the resistance of the instrument structure to irradiation with fast neutrons.

В результате реализации заявляемого способа осуществляется возможность экспрессной оценки чувствительности параметров приборных структур и их составных частей к воздействию нейтронных потоков при проверке применяемых технологических, конструктивно-топологических, схемотехнических и функциональных решений, направленных на снижение радиационной чувствительности изделий в процессе их разработки, при проведении периодических испытаний в условиях неритмичного производства и изготовления изделий малыми партиями без проведения облучения всех изделий. Способ не предполагает больших затрат на проведение испытаний и дает достаточно достоверный результат.As a result of the implementation of the proposed method, it is possible to expressly evaluate the sensitivity of the parameters of instrument structures and their components to the effects of neutron fluxes while checking the applied technological, structural and topological, circuitry and functional solutions aimed at reducing the radiation sensitivity of products during their development, during periodic tests in the conditions of non-rhythmic production and manufacturing of products in small batches without conducting oblu value of all products. The method does not involve large costs for testing and gives a fairly reliable result.

Техническим результатом от использования предлагаемого способа является повышение достоверности результатов испытаний, сокращение времени испытания, использование доступного для исследователей оборудования, а также расширение арсенала способов имитационного тестирования приборных структур на радиационную стойкость.The technical result of using the proposed method is to increase the reliability of test results, reduce test time, use equipment available to researchers, as well as expand the arsenal of methods for simulation testing of instrument structures for radiation resistance.

Поставленная задача достигается тем, что в способе имитационного тестирования стойкости приборной структуры к облучению быстрыми нейтронами по первому варианту путем воздействия на указанную структуру эквивалентным облучением другого типа и оценки степени радиационной стойкости по величине отклонения критериальных параметров структуры в результате такого воздействия, на приборную структуру воздействуют эквивалентным облучением ионами с флюенсом от 10⁹ см^-2 до 10¹⁵ см^-2 и энергией в интервале 1-500 кэВ, уточняемыми в зависимости от состава и морфологии структуры, при этом уточняемые величины флюенса и энергии ионов, обеспечивающие эквивалентность, определяют расчетом, путем компьютерного моделирования концентрации и распределения смещенных атомов при облучении ионами в чувствительных областях приборной структуры и сравнения с результатами такого же компьютерного моделирования при облучении быстрыми нейтронами, причем для установления правильности расчета эквивалентного флюенса выбирают флюенс ионного облучения, при котором изменение критериальных параметров превышает порог чувствительности средства контроля критериальных параметров, определяют соответствующий эквивалентный флюенс облучения быстрыми нейтронами, проводят разовое натурное испытание облучением приборной структуры быстрыми нейтронами при эквивалентном флюенсе, сравнивают полученное отклонение критериальных параметров с отклонением при выбранном флюенсе ионного облучения и судят по результату сравнения о правильности расчета эквивалентного флюенсаThe problem is achieved in that in the method of simulating the resistance of the instrument structure to fast neutron irradiation according to the first embodiment, by exposing the indicated structure to equivalent radiation of a different type and evaluating the degree of radiation resistance from the deviation of the criterial parameters of the structure as a result of such an effect, the instrument structure is affected by the equivalent irradiating ions to a fluence of 10 ⁹ cm ^-2 to 10 ¹⁵ cm ^-2 and an energy range of 1-500 keV specified depending on sost and morphology of the structure, while the refined values of the fluence and energy of the ions, providing equivalence, are determined by calculation, by computer simulation of the concentration and distribution of displaced atoms when irradiated with ions in sensitive areas of the instrument structure and by comparison with the results of the same computer simulation when irradiated with fast neutrons, to establish the correct calculation of the equivalent fluence, the ion irradiation fluence is chosen, in which the change in the criterion parameters increases the sensitivity threshold of the means of controlling the criterion parameters, determines the corresponding equivalent fast neutron irradiation fluence, conducts a single full-scale test by irradiating the instrument structure with fast neutrons at the equivalent fluence, compares the obtained deviation of the criterion parameters with the deviation at the selected ion irradiation fluence and judges by the result of the comparison that the calculation of the equivalent fluence

Поставленная задача достигается также тем, что по второму варианту в способе имитационного тестирования стойкости приборной структуры к облучению быстрыми нейтронами путем воздействия на указанную структуру эквивалентным облучением другого типа и оценки степени радиационной стойкости по величине отклонения критериальных параметров структуры в результате такого воздействия, на приборную структуру воздействуют эквивалентным облучением ионами с флюенсом от 10⁹ см^-2 до 10¹⁵ см^-2 и энергией в интервале 1-500 кэВ, уточняемыми в зависимости от состава и морфологии структуры, при этом уточняемые величины флюенса и энергии ионов, обеспечивающие эквивалентность, определяют расчетом, путем компьютерного моделирования концентрации и распределения смещенных атомов при облучении ионами в чувствительных областях приборной структуры и сравнения с результатами такого же компьютерного моделирования при облучении быстрыми нейтронами производят сравнение критического флюенса ионов с флюенсом, эквивалентным заданному предельно допустимому флюенсу быстрых нейтронов, и в случае, если этот флюенс ионов меньше критического, то проводят разовое натурное испытание при флюенсе быстрых нейтронов, равном предельно допустимому, если при этом отклонение критериальных параметров не превышает допустимую величину, то в дальнейшем испытание стойкости приборных структур к облучению быстрыми нейтронами проводят путем облучения ионами с флюенсом, эквивалентным предельно допустимому флюенсу быстрых нейтронов.The task is also achieved by the fact that according to the second variant, in the method of simulating testing the resistance of the instrument structure to fast neutron irradiation by exposing the indicated structure to equivalent radiation of a different type and evaluating the degree of radiation resistance from the deviation of the criterial parameters of the structure as a result of such an action, the instrument structure is affected equivalent irradiating ions to a fluence of 10 ⁹ cm ^-2 to 10 ¹⁵ cm ^-2 and an energy range of 1-500 keV specified depending on the structure and morphology of the structure, while the refined values of the fluence and energy of the ions, providing equivalence, are determined by calculation, by computer simulation of the concentration and distribution of displaced atoms when irradiated with ions in sensitive areas of the instrument structure and compared with the results of the same computer simulation when irradiated with fast neutrons, a comparison is made critical ion fluence with a fluence equivalent to a given maximum permissible fast neutron fluence, and in the case, if and this ion fluence is less than critical, then conduct a one-time full-scale test with a fast neutron fluence equal to the maximum permissible, if the deviation of the criterion parameters does not exceed the allowable value, then in the future, the resistance of instrument structures to fast neutron irradiation is tested by irradiation with fluence ions, equivalent to the maximum permissible fast neutron fluence.

В частных случаях заявленного способа компьютерное моделирование проводят методом Монте-Карло; приборную структуру выполняют на основе кремния или германия, полупроводникового соединения типа А₃В₅ или выбирают мемристорную тонкопленочную структуру с эффектом многократного резистивного переключения; для имитационного тестирования используют ионы химических элементов, входящих в состав чувствительной области приборной структуры, либо подбирают ионы близкие по массе к ним, например, ионы инертных газов; в качестве критериальных параметров для мемристорной тонкопленочной структуры с эффектом многократного резистивного переключения выбирают напряжение переключения из состояния с низким сопротивлением в состояние с высоким сопротивлением, напряжение перехода из состояния с высоким сопротивлением в состояние с низким сопротивлением, величины токов в этих состояниях.In special cases of the claimed method, computer simulation is carried out by the Monte Carlo method; the instrument structure is based on silicon or germanium, a type A ₃ B ₅ semiconductor compound, or a memristor thin-film structure with the effect of multiple resistive switching is selected; for simulation testing, use ions of chemical elements that make up the sensitive area of the instrument structure, or select ions close in mass to them, for example, ions of inert gases; as the criterion parameters for the memristor thin-film structure with the effect of multiple resistive switching, the switching voltage from the low resistance state to the high resistance state, the transition voltage from the high resistance state to the low resistance state, and the current values in these states are selected.

На фиг. 1 показаны спектры фотолюминесценции исходного (0) и облученных быстрыми нейтронами (Е=1.89МэВ) образцов гетероструктуры с тремя квантовыми ямами одинаковой ширины и различным содержанием индия при Т=77 K: спектр 1 соответствует флюенсу нейтронов 10¹⁴ н/см²; 2-5⋅10¹⁴ н/см²; 3-10¹⁵ н/см² In FIG. Figure 1 shows the photoluminescence spectra of the initial (0) and fast neutron (E = 1.89 MeV) heterostructure samples with three quantum wells of the same width and different indium contents at T = 77 K: spectrum 1 corresponds to a neutron fluence of 10 ¹⁴ n / cm ² ; 2-5⋅10 ¹⁴ n / cm ² ; 3-10 ¹⁵ n / cm ²

На фиг. 2 показано влияние на спектры фотолюминесценции гетероструктуры с квантовыми ямами InGaAs/GaAs облучения изовалентными ионами (As^-) с энергией 55 кэВ. Спектр (0) соответствует исходному образцу; спектр (1) соответствует флюенсу ионов - 10⁹ см^-2; спектр 2 - флюенсу 10¹⁰ см^-2; спектр 3 - флюенсу 10¹¹ см^-2.In FIG. Figure 2 shows the effect on the photoluminescence spectra of a heterostructure with InGaAs / GaAs quantum wells irradiated with 55 keV isovalent ions (As ^- ). Spectrum (0) corresponds to the original sample; spectrum (1) corresponds to the fluence of ions - 10 ⁹ cm ^-2 ; spectrum 2 - fluence 10 ¹⁰ cm ^-2 ; spectrum 3 - fluence 10 ¹¹ cm ^-2 .

На фиг. 3 показаны спектры фотолюминесценции исходного (0) и облученного быстрыми нейтронами (Е=1.89 МэВ) (1) образцов гетероструктуры при Т=77 K. Флюенс нейтронов - 1.5⋅10¹⁵ н/см².In FIG. Figure 3 shows the photoluminescence spectra of the initial (0) and irradiated by fast neutrons (E = 1.89 MeV) (1) samples of the heterostructure at T = 77 K. The neutron fluence is 1.5 × 10 ¹⁵ n / cm ² .

На фиг. 4 показано влияние на спектры фотолюминесценции структуры с одним слоем квантовых точек InAs/GaAs облучения изовалентными ионами (As^-) с энергией 55 кэВ. Спектр (0) соответствует исходному образцу; спектр (1) соответствует флюенсу ионов - 10⁹ см^-2; спектр 2 - флюенсу 10¹⁰ см^-2; спектр 3 - флюенсу 10¹¹ см^-2.In FIG. Figure 4 shows the effect on the photoluminescence spectra of a single-layer quantum dot structure of InAs / GaAs irradiation with 55-keV isovalent ions (As ^- ). Spectrum (0) corresponds to the original sample; spectrum (1) corresponds to the fluence of ions - 10 ⁹ cm ^-2 ; spectrum 2 - fluence 10 ¹⁰ cm ^-2 ; spectrum 3 - fluence 10 ¹¹ cm ^-2 .

На фиг. 5 приведены распределения вакансий по глубине при облучении кремния реакторными нейтронами (0.2-1 МэВ, 1⋅10¹⁵ см^-2) и ионами Si⁺ (140 кэВ, 6.3⋅10⁹ см^-2 + 56 кэВ, 2.2⋅10⁹ см^-2).In FIG. Figure 5 shows the depth distribution of vacancies upon irradiation of silicon with reactor neutrons (0.2-1 MeV, 1⋅10 ¹⁵ cm ^-2 ) and Si ⁺ ions (140 keV, 6.3⋅10 ⁹ cm ^-2 + 56 keV, 2.2⋅10 ⁹ cm ^{- 2} ).

На фиг. 6 показаны энергетические спектры движущихся атомов Si в диапазоне глубин 100-110 нм при облучении кремния ионами Si⁺ (140 кэВ) и нейтронами (0.2-1 МэВ).In FIG. Figure 6 shows the energy spectra of moving Si atoms in the depth range 100–110 nm when silicon is irradiated with Si ⁺ ions (140 keV) and neutrons (0.2–1 MeV).

На фиг. 7а приведена проекция на плоскость X-Y, параллельную поверхности, координат вакансий, созданных при облучении образца Si ионами Si⁺ (140 кэВ, 6.3⋅10⁹ см^-2).In FIG. Figure 7a shows the projection onto the XY plane parallel to the surface of the coordinates of vacancies created by irradiating a Si sample with Si ⁺ ions (140 keV, 6.3 × ^{10 9} cm ^-2 ).

На фиг. 7б приведена проекция на плоскость X-Z, перпендикулярную поверхности образца, координат вакансий, созданных при облучении реакторными нейтронами (0.2-1 МэВ, 1⋅10¹⁵ см^-2).In FIG. 7b shows the projection onto the XZ plane perpendicular to the surface of the sample, the coordinates of the vacancies created by irradiation with reactor neutrons (0.2-1 MeV, 1⋅10 ¹⁵ cm ^-2 ).

На фиг. 8 показано распределение по глубине вакансий при облучении ионами Si⁺ (140 кэВ, 6.3⋅10⁹ см^-2) и реакторными нейтронами (0.2-1 МэВ, 1⋅10¹⁵ см^-2) кремния с захороненным слоем Si_0,5Ge_0,5 толщиной 10 нм.In FIG. Figure 8 shows the depth distribution of vacancies upon irradiation of Si ⁺ ions (140 keV, 6.3⋅10 ⁹ cm ^-2 ) and reactor neutrons (0.2-1 MeV, 1⋅10 ¹⁵ cm ^-2 ) of silicon with a buried Si _0.5 Ge ₀ layer _5, thickness 10 nm.

На фиг. 9а показаны координаты вакансий в плоскости X-Y, параллельной поверхности образца, созданных в захороненном слое с наноостровками Si_0,5Ge_0,5 при облучении ионами Si⁺ (140 кэВ, 6.3⋅10⁹ см^-2); на фиг 9б - реакторными нейтронами (0.2-1 МэВ, 1⋅10¹⁵ см^-2). Кружками обозначены проекции наноостровков.In FIG. 9a shows the coordinates of vacancies in the XY plane parallel to the surface of the sample created in a buried layer with Si _0.5 Ge _0.5 nanoislands under irradiation with Si ⁺ ions (140 keV, 6.3 × ^{10 9} cm ^-2 ); in Fig. 9b, by reactor neutrons (0.2-1 MeV, 1 × 10 ¹⁵ cm ^-2 ). The circles indicate the projections of the nanoislands.

На фиг. 10 показаны спектры фоточувствительности эпитаксиальной гетероструктуры p⁺ (подложка КДБ-0,01 (100)) - Si/Ge - n⁺⁺ (Si : As).In FIG. Figure 10 shows the photosensitivity spectra of the p ⁺ epitaxial heterostructure (KDB-0.01 (100) substrate) - Si / Ge - n ⁺⁺ (Si: As).

На фиг. 11 представлены распределения смещенных атомов мемристивной структуры на основе SiO₂, облученной ионами Si⁺ и O⁺ при энергии 150 кэВ, воспроизводящих воздействие нейтронов с энергией 1 МэВ.In FIG. 11 shows the distribution of displaced atoms of a memristive structure based on SiO ₂ irradiated with Si ⁺ and O ⁺ ions at an energy of 150 keV, reproducing the action of neutrons with an energy of 1 MeV.

На фиг. 12 представлены типичные вольтамперные характеристики, демонстрирующие биполярное резистивное переключение после электроформовки мемристивной структуры на основе SiO₂.In FIG. 12 shows typical current-voltage characteristics demonstrating bipolar resistive switching after electroforming of a memristive structure based on SiO ₂ .

На фиг. 13 приведены результаты измерения токов в разных резистивных состояниях для мемристивных структур до и после облучения совместно ионами Si⁺ и O⁺.In FIG. 13 shows the results of measuring currents in different resistive states for memristive structures before and after irradiation together with Si ⁺ and O ⁺ ions.

Способ по варианту 1 применяют для приборных структур, обладающих сравнительно низкой радиационной стойкостью, т.е. таких структур, для которых при проведении стандартных натурных испытаний при облучении быстрыми нейтронами возможно получение отклонений критериальных параметров на величину, превышающую порог чувствительности средств контроля. Второй вариант применяют для структур, обладающих настолько высокой радиационной стойкостью, что при стандартных натурных испытаниях трудно получить отклонение критериальных параметров.The method according to option 1 is used for instrument structures having a relatively low radiation resistance, i.e. such structures for which, during standard field tests during irradiation with fast neutrons, it is possible to obtain deviations of the criterion parameters by an amount exceeding the sensitivity threshold of the control means. The second option is used for structures with such a high radiation resistance that it is difficult to obtain a deviation of the criterial parameters during standard field tests.

Способ имитационного тестирования стойкости приборной структуры к облучению быстрыми нейтронами по первому варианту осуществляют следующим образом. Проводят облучение чувствительной области приборной структуры ионами с флюенсом Ф₁, при котором критериальные параметры приборной структуры отклоняются от заданного значения на величину, превосходящую допустимую для данного типа прибора, т.е. превышают порог чувствительности средств контроля критериальных параметров. Затем проводят компьютерный расчет концентрации дефектов (смещенных атомов) в чувствительной области приборной структуры при флюенсе Ф₁ ионного облучения. После этого с помощью компьютерного расчета определяют эквивалентный флюенс Ф₂ нейтронного облучения, при котором концентрация дефектов (смещенных атомов) в чувствительной области приборной структуры равна концентрации дефектов при вышеуказанном флюенсе Ф₁ ионного облучения. Далее проводят разовое натурное испытание быстрыми нейтронами с эквивалентным флюенсом Ф₂. Если изменение критериальных параметров приборной структуры при таком натурном испытании окажется (в пределах допустимой погрешности) равным изменению этих критериальных параметров при облучении эквивалентным флюенсом Ф₁ ионного облучения, то тестирование приборных структур в дальнейшем проводят облучением с флюенсом ионного облучения, эквивалентным заданному предельно допустимому флюенсу нейтронного облучения.The method of simulation testing the resistance of the instrument structure to irradiation with fast neutrons according to the first embodiment is as follows. The sensitive area of the instrument structure is irradiated with ions with a fluence of Ф ₁ , in which the criterial parameters of the instrument structure deviate from the set value by an amount that exceeds the allowable for this type of device, i.e. exceed the threshold of sensitivity of control means of criteria parameters. Then carry out a computer calculation of the concentration of defects (displaced atoms) in the sensitive region of the instrument structure at a fluence of f ₁ ion exposure. After that, using computer calculation, the equivalent neutron irradiation fluence F ₂ is determined, in which the concentration of defects (displaced atoms) in the sensitive region of the instrument structure is equal to the defect concentration at the above fluence F _{1 of} ion irradiation. Next, conduct a one-time full-scale test by fast neutrons with an equivalent fluence of F ₂ . If a change in the criterial parameters of the instrument structure during such a full-scale test turns out (within the margin of error) equal to a change in these criterion parameters when irradiated with an equivalent fluence F _{1 of} ion irradiation, then testing of instrument structures is further carried out by irradiation with a fluence of ion irradiation equivalent to a given maximum permissible neutron fluence exposure.

Способ имитационного тестирования стойкости приборной структуры к облучению быстрыми нейтронами по второму варианту осуществляют следующим образом. Проводят облучение чувствительной области приборной структуры ионами с флюенсом, равным критическому, т.е. таким флюенсом, при котором критериальные параметры приборной структуры отклоняются от заданного значения на величину, превосходящую допустимую для данного типа прибора (превышают порог чувствительности средств контроля критериальных параметров). После этого с помощью компьютерного расчета определяют концентрацию дефектов (смещенных атомов) в чувствительной области приборной структуры при указанном выше флюенсе ионного облучения. Затем проводят расчет флюенса Ф₁ нейтронного облучения (эквивалентного флюенса), при котором концентрация дефектов (смещенных атомов) в чувствительной области приборной структуры равна концентрации дефектов (смещенных атомов) при указанном выше флюенсе ионного облучения. Далее проводят расчет эквивалентного флюенса Ф₂ нейтронного облучения, соответствующего заданному предельно допустимому флюенсу нейтронного облучения, т.е такому флюенсу, при котором приборная структура данного типа должна выдержать испытание без отклонения критериальных параметров на величины, превышающие допустимые отклонения. Если флюенс Ф₂ окажется меньше флюенса Ф₁, то проводят натурные испытания при флюенсе Ф₂ для данного типа приборных структур. Если приборная структура выдерживает это испытание, то далее тестирование проводят путем облучения ионами с флюенсом, эквивалентным предельно допустимому флюенсу нейтронов.The method of simulation testing the resistance of the instrument structure to irradiation with fast neutrons according to the second embodiment is as follows. The sensitive area of the instrument structure is irradiated with ions with a fluence equal to critical, i.e. such a fluence in which the criterial parameters of the instrument structure deviate from the set value by an amount that exceeds the allowable for this type of device (exceed the threshold of sensitivity of the means for monitoring the criterial parameters). After that, using a computer calculation, the concentration of defects (displaced atoms) in the sensitive region of the instrument structure is determined at the above-mentioned ion irradiation fluence. Then, the fluence Ф _{1 of} neutron irradiation (equivalent fluence) is calculated, in which the concentration of defects (displaced atoms) in the sensitive area of the instrument structure is equal to the concentration of defects (displaced atoms) at the above ion irradiation fluence. Then, the equivalent neutron irradiation fluence F ₂ is calculated corresponding to a predetermined maximum permissible neutron irradiation fluence, i.e., such a fluence in which an instrument structure of this type must pass the test without deviating the criterion parameters by values exceeding the permissible deviations. If the fluence F ₂ turns out to be less than the fluence F ₁ , then field tests are carried out at a fluence of F ₂ for this type of instrument structures. If the instrument structure withstands this test, then further testing is carried out by irradiation with ions with a fluence equivalent to the maximum permissible neutron fluence.

Компьютерный расчет концентраций и пространственного распределения точечных дефектов, создаваемых ионными пучками и быстрыми реакторными нейтронами в твердотельных гомофазных и гетерофазных структурах произвольной геометрии и состава, в том числе наноструктурах, позволяет производить выбор режимов ионного облучения, производимого с целью имитации действия реакторных нейтронов.A computer calculation of the concentrations and spatial distribution of point defects created by ion beams and fast reactor neutrons in solid-state homophase and heterophase structures of arbitrary geometry and composition, including nanostructures, allows the selection of ion irradiation modes to simulate the effects of reactor neutrons.

Использование метода Монте-Карло в компьютерном моделировании позволяет определить виды ионов, их флюенс и энергии, при которых в наиболее чувствительном к облучению объеме материала (области структуры, фазе) создается та же степень радиационного повреждения, то есть такая же концентрация пар Френкеля (для определенности будем говорить о вакансиях), что и при облучении заданным флюенсом реакторных нейтронов.The use of the Monte Carlo method in computer modeling allows one to determine the types of ions, their fluence and energy at which the same degree of radiation damage, i.e. the same concentration of Frenkel pairs (for definiteness) is created in the most sensitive to radiation volume of the material (structure region, phase) we will talk about vacancies), as with irradiation with a given fluence of reactor neutrons.

В общем случае при комнатной температуре облучения следует учитывать вторичные процессы, в которых участвуют компоненты пар Френкеля: их диффузия, рекомбинация, объединение в комплексы типа дивакансий или междоузлий, захват ловушечными центрами и др. [N.P. Morozov, D.I. Tetelbaum, E.I. Zorin, A.F. Khokhlov, The calculation of secondary defect formation at ion implantation of silicon, Phys. Stat. Sol. A, 37 (1976) 57-69]. Однако в реальных случаях при нейтронном или эквивалентном ионном облучении (когда отсутствует заметное перекрытие каскадов смещения) можно полагать, что учет вторичных процессов лишь несущественно нарушит соотношение между степенями повреждения для двух видов облучения.In the general case, at room temperature, the secondary processes should be taken into account, in which the components of the Frenkel pairs are involved: their diffusion, recombination, combination into complexes such as divacancies or internodes, capture by trap centers, etc. [N.P. Morozov, D.I. Tetelbaum, E.I. Zorin, A.F. Khokhlov, The calculation of secondary defect formation at ion implantation of silicon, Phys. Stat. Sol. A, 37 (1976) 57-69]. However, in real cases with neutron or equivalent ion irradiation (when there is no noticeable overlap of the bias cascades), it can be assumed that taking secondary processes into account will only insignificantly violate the relationship between the degrees of damage for the two types of irradiation.

Основные различия в характере радиационного повреждения при нейтронном облучении и облучении ионами a priori могут быть обусловлены следующими факторами.The main differences in the nature of radiation damage during neutron irradiation and ion irradiation a priori may be due to the following factors.

При облучении нейтронами первично выбитые атомы стартуют в точках, однородно распределенных внутри материала, тогда как при облучении ионами последние стартуют от поверхности структуры. При этом дефектообразование под действием ионов затрагивает лишь приповерхностный слой с толщиной порядка среднего проецированного пробега R_p, тогда как нейтроны создают квазиоднородное распределение дефектов. Несколько различаются и энергетические спектры движущихся атомов, пересекающих определенный элемент объема и способных выбивать неподвижные атомы из узлов. Тем не менее, достижение практически достаточной эквивалентности степени радиационного повреждения наноструктур при облучении реакторными нейтронами и пучком ионов на не слишком больших глубинах возможно.When irradiated with neutrons, initially knocked out atoms start at points uniformly distributed inside the material, while when irradiated with ions, the last ones start from the surface of the structure. In this case, defect formation under the influence of ions affects only the surface layer with a thickness of the order of the average projected path R _p , while neutrons create a quasihomogeneous distribution of defects. The energy spectra of moving atoms that intersect a certain volume element and are capable of knocking out stationary atoms from nodes are also slightly different. Nevertheless, it is possible to achieve practically sufficient equivalence of the degree of radiation damage to nanostructures when irradiated with reactor neutrons and an ion beam at not too great depths.

При моделировании облучения реакторными нейтронами использовали данные о спектре нейтронов для ядерного реактора ГИР-2 [Мырова Л.О., Чепиженко А.В. Обеспечение стойкости аппаратуры связи к ионизирующим и электромагнитным излучениям. - М.: Радио и связь, 1988. - 296 с.] и данные о сечении рассеяния нейтронов [Adair, R. Neutron cross-sections of the elements // Rev. Mod. Phys. - 1980, v. 22, N2. - P. 249-259; Физика быстрых нейтронов / Под ред. Мариона Дж., Фаулера Дж. - М.: Атомиздат, 1966, с. 517; Григорьев И.С., Мейлихов Е.З. Физические величины (справочник). - М.: Энергоатомиздат, 1991, 1232 с.]. При этом распределение атомов отдачи по углам считалось изотропным, а по энергиям (от E_max до E_d, где Е_max=4М E_n/(1+М)², Е_n - энергия нейтрона, М - массовое число атома вещества) - однородным. Возможное отклонение от изотропности снизит число образованных вакансий на 30-50% [Effects of radiation on semiconductors / V.S. Vavilov. - Consultants Bureau, 1965. - 225 p.].When simulating reactor neutron irradiation, we used the neutron spectrum data for the GIR-2 nuclear reactor [Myrova L.O., Chepizhenko A.V. Ensuring the resistance of communication equipment to ionizing and electromagnetic radiation. - M .: Radio and communications, 1988. - 296 p.] And data on the neutron scattering cross section [Adair, R. Neutron cross-sections of the elements // Rev. Mod. Phys. - 1980, v. 22, N2. - P. 249-259; Physics of Fast Neutrons / Ed. Marion J., Fowler J. - M .: Atomizdat, 1966, p. 517; Grigoriev I.S., Meilikhov E.Z. Physical quantities (reference). - M .: Energoatomizdat, 1991, 1232 p.]. In this case, the distribution of the recoil atoms in the corners was considered isotropic, and in terms of energy (from E _max to E _d , where E _max = 4M E _n / (1 + M) ² , E _n is the neutron energy, M is the mass number of the atom of the substance) - homogeneous. A possible deviation from isotropy will reduce the number of vacancies formed by 30-50% [Effects of radiation on semiconductors / VS Vavilov. - Consultants Bureau, 1965. - 225 p.].

Разработанный способ имитационного тестирования универсален по отношению к виду приборных структура учетом указанного выше ограничения по толщине и глубине залегания наиболее чувствительной области структуры. Выбор сорта (сортов) ионов для моделирования определяется химическим составом компонентов, входящих в состав структуры, а также тем, в какой (каких) областях требуется моделировать радиационное повреждение. Если структура или ее область, подлежащая процедуре моделирования, гомогенна и одноатомна, то сорт ионов совпадает (или близок) с основным сортом атомов, из которых состоит структура или ее часть. В случае гомогенных, но многоатомных систем с близкими атомными номерами атомов, например GaAs, можно ограничиться выбором ионов одного сорта, а при большом отличии атомных масс необходимо использовать ионы каждого из химических элементов материала в соответствующей пропорции. Некоторые трудности возникают в случае гетерогенных систем, например структур с контактами типа барьера Шоттки, когда атомная масса атомов контакта сильно отличается от массы атома полупроводника. В этом случае выбор сортов ионов, их энергий и флюенсов, наилучшим образом имитирующих случай нейтронного облучения, может производиться методом проб и ошибок с учетом данных по распределению дефектов (вакансий) в данной гетерогенной системе, и последующей коррекцией, рассчитанному по SRIM [SRIM - The stopping and range of ions in matter (2010) / J.F. Ziegler, M.D. Ziegler, J.P. Biersack // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. B. - 2010. - Vol. 268. - P. 1818-1823], и проведения дополнительного облучения ионами с массой, равной или близкой к массе атомов слоя (слоев), граничащего с чувствительной областью приборной структуры. Чтобы снизить степень неоднородности распределения дефектов по глубине при ионном облучении, можно использовать полиэнергетическое облучение, т.е. проводить последовательно облучение ионами с двумя или более энергиями, рассчитывая при этом флюенсы по программе SRIM так, чтобы результирующее распределение было квазиоднородным.The developed simulation testing method is universal with respect to the type of instrument structure taking into account the above restrictions on the thickness and depth of the most sensitive region of the structure. The choice of ion grade (s) for modeling is determined by the chemical composition of the components that make up the structure, as well as by which areas of radiation damage to be modeled. If the structure or its region subject to the modeling procedure is homogeneous and monatomic, then the sort of ions coincides (or is close) with the main sort of atoms of which the structure or its part consists. In the case of homogeneous, but polyatomic systems with close atomic numbers of atoms, for example, GaAs, it is possible to limit oneself to the choice of ions of the same kind, and with a large difference in atomic masses, it is necessary to use ions of each of the chemical elements of the material in the appropriate proportion. Some difficulties arise in the case of heterogeneous systems, for example, structures with contacts such as the Schottky barrier, when the atomic mass of the contact atoms is very different from the mass of the semiconductor atom. In this case, the choice of ionic types, their energies and fluences that best imitate the case of neutron irradiation, can be made by trial and error taking into account the data on the distribution of defects (vacancies) in this heterogeneous system, and the subsequent correction calculated according to SRIM [SRIM - The stopping and range of ions in matter (2010) / JF Ziegler, M.D. Ziegler, J.P. Biersack // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. B. - 2010 .-- Vol. 268. - P. 1818-1823], and conducting additional irradiation with ions with a mass equal to or close to the mass of atoms of the layer (s) bordering the sensitive region of the instrument structure. To reduce the degree of heterogeneity of the depth distribution of defects during ion irradiation, polyenergy irradiation can be used, i.e. irradiate sequentially with ions with two or more energies, while calculating fluences using the SRIM program so that the resulting distribution is quasihomogeneous.

Ниже приведены примеры реализации данного способа по первому варианту.Below are examples of the implementation of this method according to the first embodiment.

В первом примере было исследовано влияние облучения ионами аргона и нейтронами на величину сопротивления планарных полупроводниковых образцов (резисторов) типа n⁺-n-n⁺ (см. табл. 1). Конструкция образцов представляла собой планарную GaAs структуру, выращенную на полуизолирующей GaAs подложке и содержащую полуизолирующий буферный GaAs слой, слой GaAs с уровнем легирования 3⋅10¹⁷ см^-3 и контактный слой с уровнем легирования более 3⋅10¹⁸ см^-3. На контактном слое располагались AuGe-Au омические контакты. Вокруг планарных резисторов вытравливалась мезаструктура, предотвращающая протекание тока по периферии приборов. Между контактами сильно легированный (контактный) слой полупроводника был стравлен, так что ток протекал по GaAs слою с уровнем легирования 3⋅10¹⁷ см^-3.In the first example, the effect of irradiation with argon ions and neutrons on the resistance of planar semiconductor samples (resistors) of the n ⁺ -nn ⁺ type was studied (see Table 1). The design of the samples was a planar GaAs structure grown on a semi-insulating GaAs substrate and containing a semi-insulating GaAs buffer layer, a GaAs layer with a doping level of 3 × 10 ¹⁷ cm ^-3 and a contact layer with a doping level of more than 3 × 10 ¹⁸ cm ^-3 . AuGe-Au ohmic contacts were located on the contact layer. A mesastructure was etched around the planar resistors, preventing the flow of current along the periphery of the devices. Between the contacts, the heavily doped (contact) semiconductor layer was etched, so that the current flowed through the GaAs layer with a doping level of 3 × 10 ¹⁷ cm ^-3 .

Такая конструкция исследуемых образцов позволяла проводить облучение ионами аргона с лицевой стороны структуры так, что ионы проникали в проводящий полупроводниковый слой и модифицировали его. В ходе эксперимента сравнивалось сопротивление образцов до и после облучения ионами и быстрыми нейтронами со средней энергией 1 МэВ. В качестве источников излучения использовался импульсный ядерный реактор и технологический имплантер. Энергия ионов составляла 30, 60 и 90 кэВ. Облучение ионами с указанными энергиями проводилось последовательно с равными флюенсами. Значения энергии ионов рассчитаны по программе SRIM так, что ионы проникали на всю глубину проводящего слоя структуры, а также захватывали прилегающий к нему полуизолирующий слой GaAs.Such a design of the samples under study made it possible to irradiate with argon ions from the front side of the structure so that the ions penetrated into the conducting semiconductor layer and modified it. During the experiment, the resistance of the samples was compared before and after irradiation with ions and fast neutrons with an average energy of 1 MeV. A pulsed nuclear reactor and a technological implant were used as radiation sources. The ion energy was 30, 60, and 90 keV. Irradiation by ions with the indicated energies was carried out sequentially with equal fluences. The ion energy values were calculated using the SRIM program so that the ions penetrated the entire depth of the conductive layer of the structure and also captured the adjacent semi-insulating GaAs layer.

Результаты эксперимента показывают, что с помощью заявленного способа возможен подбор оптимального флюенса облучения таким образом, что сопротивление образцов изменяется аналогично изменению при нейтронном облучении.The results of the experiment show that using the inventive method, it is possible to select the optimal irradiation fluence in such a way that the resistance of the samples changes similarly to the change under neutron irradiation.

В следующем примере для проведения экспериментов по ионному облучению ионами As⁺ были выращены гетероструктуры с квантовыми ямами (КЯ) и квантовыми точками на подложке GaAs и исследованы излучающие свойства облученных и исходных структур.In the following example, to conduct experiments on ion irradiation with As ⁺ ions, heterostructures with quantum wells (QWs) and quantum dots on a GaAs substrate were grown and the emitting properties of the irradiated and initial structures were studied.

Для осуществления эксперимента по проведению эквивалентного нейтронному воздействию ионного облучения был рассчитан соответствующий флюенс ионов As⁺ (см. табл. 2).To carry out the experiment on conducting the equivalent neutron effect of ion irradiation, the corresponding fluence of As ⁺ ions was calculated (see Table 2).

Видно, что при флюенсе ионов 10⁹ см^-2 происходит снижение интенсивности излучения квантовых ям более чем на два порядка величины, как и в случае нейтронного воздействия с флюенсом 10¹⁵ н/см². Дальнейшее увеличение флюенса ионов приводило к полному гашению интенсивности излучения в области квантовых ям (фиг. 1, 2).It is seen that when the ion fluence is 10 ⁹ cm ^-2 , the emission intensity of quantum wells decreases by more than two orders of magnitude, as in the case of neutron exposure with a fluence of 10 ¹⁵ n / cm ² . A further increase in the ion fluence led to the complete damping of the radiation intensity in the region of quantum wells (Figs. 1, 2).

Влияние ионного облучения на излучающие свойства квантовых точек в целом также выглядит подобным эквивалентному нейтронному воздействию (фиг. 3 и 4). В обоих случаях квантовые точки демонстрируют более высокую радиационную стойкость по сравнению с квантовыми ямами. В целом, сопоставление влияния исходного нейтронного воздействия и эквивалентного имитирующего ионного облучения на излучающие свойства структур выявило одинаковые особенности поведения спектров фотолюминесценции квантовых ям и квантовых точек.The effect of ion irradiation on the emitting properties of quantum dots as a whole also looks similar to the equivalent neutron effect (Figs. 3 and 4). In both cases, quantum dots exhibit higher radiation resistance than quantum wells. On the whole, a comparison of the influence of the initial neutron effect and the equivalent imitating ion irradiation on the radiating properties of the structures revealed the same features of the behavior of the photoluminescence spectra of quantum wells and quantum dots.

Ниже приведены примеры реализации данного способа по второму варианту для структур, сформированных на базе кремния, подвергнутых облучению реакторными нейтронами реактора типа ГИР-2 со средней энергией быстрых нейтронов 1 МэВ. В качестве имитирующих ионов взяты ионы Si⁺. На фиг. 5 приведены распределения концентрации вакансий в образце кремния при облучении нейтронами с флюенсом 1⋅10¹⁵ см^-2 и при последовательном облучении ионами Si⁺ двух энергий (140 кэВ, 6.3⋅10⁹ см^-2 + 56 кэВ, 2.2⋅10⁹ см^-2). Видно хорошее соответствие для двух видов облучения в области глубин до 230 нм. Такое соответствие достигается несмотря на значительное расхождение энергетических спектров движущихся частиц в случае нейтронов и ионов в области высоких энергий быстрых атомов (фиг. 6). Однако доля высокоэнергетических частиц мала; соответственно, мал и ее вклад в общую концентрацию вакансий. В области же низких энергий, как видно из фиг. 6, спектры близки.Below are examples of the implementation of this method according to the second embodiment for structures formed on the basis of silicon, subjected to irradiation by reactor neutrons of a GIR-2 reactor with an average fast neutron energy of 1 MeV. Si ⁺ ions were taken as imitating ions. In FIG. Figure 5 shows the distribution of the concentration of vacancies in a silicon sample upon irradiation with neutrons with a fluence of 1⋅10 ¹⁵ cm ^-2 and sequential irradiation with Si ⁺ ions of two energies (140 keV, 6.3⋅10 ⁹ cm ^-2 + 56 keV, 2.2⋅10 ⁹ cm ^{- 2} ). A good agreement is seen for the two types of irradiation in the depth range up to 230 nm. This correspondence is achieved despite a significant difference in the energy spectra of moving particles in the case of neutrons and ions in the high-energy region of fast atoms (Fig. 6). However, the proportion of high-energy particles is small; accordingly, its contribution to the total concentration of vacancies is small. In the low-energy region, as can be seen from FIG. 6, the spectra are close.

Близкими для двух видов облучения оказываются не только интегральные распределения вакансий. Картина пространственного распределения смещений, созданных ионами в поверхностном слое с толщиной ~(R_p+ΔR_p), в проекции на плоскость X-Y, параллельную поверхности (фиг. 7а), практически не отличается от картины распределения вакансий, созданных нейтронами, для которых в силу изотропности рассеяния вид распределения не зависит от ориентации плоскости проекции (проекция на плоскость X-Z, перпендикулярную поверхности, в случае нейтронов приведена на фиг. 7б).Close for the two types of exposure are not only the integral distribution of vacancies. The picture of the spatial distribution of displacements created by ions in the surface layer with a thickness of ~ (R _p + ΔR _p ) in the projection onto the XY plane parallel to the surface (Fig. 7a) practically does not differ from the picture of the distribution of vacancies created by neutrons, for which, by the scattering isotropy, the type of distribution does not depend on the orientation of the projection plane (projection onto the XZ plane perpendicular to the surface, in the case of neutrons, is shown in Fig. 7b).

Рассмотрим далее случай облучения гетероструктуры Si/Ge_xSi_1-x/Si (х=0,5), в которых слой Ge_xSi_1-x толщиной 10 нм расположен на глубине 100 нм. Распределение по глубине вакансий, образованных нейтронами с флюенсом 1⋅10¹⁵ см^-2 и Si⁺ с энергией 140 кэВ, приведено на фиг. 8. Имеет место удовлетворительное согласие профилей концентраций как внутри, так и вне слоя Si_0,5Ge_0,5 при флюенсе Si⁺, равном 6.3⋅10⁹ см^-2.Let us further consider the case of irradiation of a Si / Ge _x Si _1-x / Si heterostructure (x = 0.5), in which a 10 nm _- thick Ge _x Si _1-x layer is located at a depth of 100 nm. The depth distribution of vacancies formed by neutrons with a fluence of 1 × 10 ¹⁵ cm ^-2 and Si ⁺ with an energy of 140 keV is shown in FIG. 8. There is satisfactory agreement between the concentration profiles both inside and outside the Si _0.5 Ge _0.5 layer with a Si ⁺ fluence of 6.3⋅10 ⁹ cm ^-2 .

На фиг. 9 схематически показаны сечения структуры, в которой цилиндрические островки Si_0,5Ge_0,5 с толщиной 10 нм и диаметром 80 нм расположены случайным образом внутри кремния на глубине 100 нм. Такие структуры формируются методом молекулярно-лучевой эпитаксии и могут применяться, например, в качестве фотоприемников или светоизлучателей в оптоэлектронных устройствах, демонстрируя высокую радиационную стойкость. Там же показаны смоделированные методом Монте-Карло положения вакансий, созданных при облучении ионами Si⁺ (140 кэВ, 6.3⋅10⁹ см^-2) и нейтронами (1⋅10¹⁵ см^-2) в проекции на плоскость образца. Учтены только те вакансии, которые находятся на глубинах 100-110 нм, где локализованы островки. Видно, что для обоих видов излучения картины распределения вакансий подобны, и что при данных условиях только малая доля (20-30%) островков содержит вакансии радиационного происхождения.In FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of a structure in which cylindrical islands of Si _0.5 Ge _0.5 with a thickness of 10 nm and a diameter of 80 nm are randomly located inside silicon at a depth of 100 nm. Such structures are formed by molecular beam epitaxy and can be used, for example, as photodetectors or light emitters in optoelectronic devices, demonstrating high radiation resistance. The Monte Carlo simulated positions of vacancies created upon irradiation with Si ⁺ ions (140 keV, 6.3⋅10 ⁹ cm ^-2 ) and neutrons (1⋅10 ¹⁵ cm ^-2 ) in projection onto the plane of the sample are also shown there. Only those vacancies that are located at depths of 100-110 nm, where the islands are localized, are taken into account. It can be seen that for both types of radiation, the patterns of the distribution of vacancies are similar, and that under these conditions, only a small fraction (20-30%) of the islands contains vacancies of radiation origin.

На фиг. 10 показаны спектры фоточувствительности эпитаксиальной гетероструктуры p⁺ (подложка КДБ-0,01 (100)) - Si/Ge - n⁺⁺ (Si : As), измеренные до и после облучения ионами Si⁺ (140 кэВ, 6.3⋅10⁹ см^-2) или быстрыми нейтронами со средней энергией 1 МэВ и флюенсом в интервале 1⋅10¹⁴-5⋅10¹⁴ см^-2. В данной структуре слой островков SiGe расположен на глубине 100 нм от поверхности, что соответствует геометрическим параметрам, использованным в расчете концентраций дефектов при нейтронном и ионном облучении. Видно, что вплоть до самых больших набранных значений флюенса не наблюдается изменения критериального параметра - интенсивности фоточувствительности во всем исследованном спектральном диапазоне, соответствующем поглощению света в кремнии и островках SiGe.In FIG. Figure 10 shows the photosensitivity spectra of the p ⁺ epitaxial heterostructure (KDB-0.01 (100) substrate) - Si / Ge - n ⁺⁺ (Si: As) measured before and after irradiation with Si ⁺ ions (140 keV, 6.3 × ^{10 9} cm ^-2 ) or fast neutrons with an average energy of 1 MeV and a fluence in the range of 1 1410 ¹⁴ -5⋅10 ¹⁴ cm ^-2 . In this structure, the layer of SiGe islands is located at a depth of 100 nm from the surface, which corresponds to the geometrical parameters used in calculating the defect concentrations under neutron and ion irradiation. It can be seen that up to the highest fluence values accumulated, there is no change in the criterion parameter — the photosensitivity intensity in the entire spectral range studied, which corresponds to light absorption in silicon and SiGe islands.

Как отмечалось выше, для гетерофазных структур ионно-лучевая имитация может потребовать применения последовательного облучения ионами двух и более сортов. Так, для структур с барьерами Шоттки Au/Si, атомы отдачи золота производят более плотные каскады и при равных условиях создают в Si больше вакансий по сравнению с атомами отдачи кремния. Поэтому для имитации нейтронного воздействия в такой системе следует применять двойное облучение - Si⁺ и Au⁺ (с целью экспериментального упрощения процедуры, с достаточной степенью приближения к реальности, вместо ионов Au⁺ можно использовать «газовые» ионы - Хе⁺). Имитация в данном случае возможна только при условии, что пробеги ионов Au⁺ или Хе⁺ превышают толщину пленки золота.As noted above, for heterophase structures, ion-beam imitation may require the use of sequential irradiation with ions of two or more types. So, for structures with Schottky Au / Si barriers, gold recoil atoms produce denser cascades and, under equal conditions, create more vacancies in Si compared to silicon recoil atoms. Therefore, to simulate neutron effects in such a system, double irradiation — Si ⁺ and Au ⁺ — should be used (in order to experimentally simplify the procedure, with a sufficient degree of approximation to reality, instead of Au ⁺ ions, “gas” ions - Xe ⁺ can be used). Simulation in this case is possible only provided that the ranges of Au ⁺ or Xe ⁺ ions exceed the thickness of the gold film.

В следующем примере предложенный способ апробирован на конденсаторных структурах типа Au/Zr/SiO₂/TiN/Ti, проявляющих воспроизводимый эффект биполярного резистивного переключения, связанный с формированием и локальным окислением проводящих каналов (филаментов) в оксидном материале [Bipolar resistive switching and charge transport in silicon oxide memristor / A.N. Mikhaylov, A.I. Belov, D.V. Guseinov, D.S. Korolev, I.N. Antonov, D.V. Efimovykh, S.V. Tikhov, A.P. Kasatkin, O.N. Gorshkov, D.I. Tetelbaum, A.I. Bobrov, N.V. Malekhonova, D.A. Pavlov, E.G. Gryaznov, A.P. Yatmanov // Mat. Sci. Eng. B. - 2015. - V. 194. - P. 48-54].In the following example, the proposed method was tested on capacitor structures such as Au / Zr / SiO ₂ / TiN / Ti, exhibiting a reproducible effect of bipolar resistive switching associated with the formation and local oxidation of conductive channels (filaments) in the oxide material [Bipolar resistive switching and charge transport in silicon oxide memristor / AN Mikhaylov, AI Belov, DV Guseinov, DS Korolev, IN Antonov, DV Efimovykh, SV Tikhov, AP Kasatkin, ON Gorshkov, DI Tetelbaum, AI Bobrov, NV Malekhonova, DA Pavlov, EG Gryaznov, AP Yatmanov // Mat. Sci. Eng. B. - 2015. - V. 194. - P. 48-54].

Влияние облучения на мемристивную конденсаторную структуру типа «металл-диэлектрик-металл» преимущественно обусловлено радиационным повреждением активного диэлектрика, в данном случае SiO₂. При этом в слое SiO₂ образуются атомы отдачи двух видов - Si и О. Таким образом, имитация облучения быстрыми нейтронами может быть осуществлена путем последовательного облучения ионами Si⁺ и O⁺ (Si⁺+O⁺). Для структуры типа Au/Zr/SiO₂/TiN/Ti ионы, прежде чем проникнуть в активный слой SiO₂, проходят слой электрода Au и при этом теряют часть энергии, при этом часть ионов останавливаются в этом слое. Был выполнен расчет флюенсов облучения ионами Si⁺и O⁺ с энергией 150 кэВ, при которых концентрация смещенных атомов в центральной области слоя SiO₂ равнялась концентрации смещенных атомов, образованных нейтронами с заданным флюенсом в той же области.The effect of irradiation on the memristive capacitor structure of the metal-dielectric-metal type is mainly due to radiation damage to the active dielectric, in this case SiO ₂ . In this case, recoil atoms of two types — Si and O — are formed in the SiO ₂ layer. Thus, fast neutron irradiation can be simulated by sequential irradiation with Si ⁺ and O ⁺ (Si ⁺ + O ⁺ ) ions. For a structure of the type Au / Zr / SiO ₂ / TiN / Ti, the ions pass through the Au electrode layer before entering the active SiO ₂ layer and at the same time lose some energy, while some of the ions stop in this layer. The fluences of irradiation with Si ⁺ and O ⁺ ions with an energy of 150 keV were calculated, at which the concentration of displaced atoms in the central region of the SiO ₂ layer was equal to the concentration of displaced atoms formed by neutrons with a given fluence in the same region.

Расчет концентрации смещенных атомов, образованных быстрыми нейтронами для наноструктуры Au (40 нм) / Zt (3 нм) / SiO₂ (40 нм) / TiN (25 нм) / Ti (25 нм) на окисленной подложке кремния, геометрические параметры которой соответствуют экспериментальным структурам, а также расчет распределения полного количества смещенных атомов, созданных при ионном облучении, производят методом Монте-Карло. Флюенсы ионов при энергии 150 кэВ в диапазоне 8.8⋅10⁹-8.8⋅10¹¹ см^-2 для Si⁺ и 1.1⋅10⁹-1.1⋅10¹¹ см^-2 для О⁺ обеспечивают такие же значения концентраций смещенных атомов в слое SiO₂, как и для случаев облучения нейтронами при энергии 1 МэВ с флюенсом 10¹⁵-10¹⁷ см^-2.Calculation of the concentration of displaced atoms formed by fast neutrons for an Au (40 nm) / Zt (3 nm) / SiO ₂ (40 nm) / TiN (25 nm) / Ti (25 nm) nanostructure on an oxidized silicon substrate, the geometric parameters of which correspond to experimental structures, as well as the calculation of the distribution of the total number of displaced atoms created by ion irradiation, is performed by the Monte Carlo method. Ion fluences at an energy of 150 keV in the range of 8.8⋅10 ⁹ -8.8⋅10 ¹¹ cm ^-2 for Si ⁺ and 1.1⋅10 ⁹ -1.1⋅10 ¹¹ cm ^-2 for O ⁺ provide the same concentration of displaced atoms in the SiO ₂ layer , as for cases of neutron irradiation at an energy of 1 MeV with a fluence of 10 ¹⁵ -10 ¹⁷ cm ^-2 .

На фиг. 11 приведены распределения смещенных атомов при различных флюенсах совместной имплантации ионов Si⁺ и O⁺, а также соответствующие концентрации смещенных атомов, образованных быстрыми нейтронами в центральной области слоя SiO₂. Сравнение результатов расчета дает эквивалентные значения флюенсов для ионов Si⁺+O⁺ с энергией 150 кэВ, обеспечивающие такие же значения концентраций смещенных атомов в слое SiO₂, как для нейтронов с энергией 1 МэВ.In FIG. Figure 11 shows the distribution of displaced atoms at different fluences of the joint implantation of Si ⁺ and O ⁺ ions, as well as the corresponding concentrations of displaced atoms formed by fast neutrons in the central region of the SiO ₂ layer. Comparison of the calculation results gives equivalent fluence values for Si ⁺ + O ⁺ ions with an energy of 150 keV, providing the same concentration values of displaced atoms in the SiO ₂ layer as for neutrons with an energy of 1 MeV.

Для экспериментальной реализации имитационного тестирования стойкости конденсаторные структуры Au/Zr/SiO₂/TiN/Ti с теми же геометрическими параметрами, что и в расчете, были изготовлены методом магнетронного распыления.For the experimental implementation of simulated resistance testing, Au / Zr / SiO ₂ / TiN / Ti capacitor structures with the same geometric parameters as in the calculation were fabricated by magnetron sputtering.

Для получения мемристивного эффекта конденсаторную структуру после изготовления подвергают электроформовке путем подачи отрицательного напряжения. На фиг. 12 приведены типичные вольтамперные характеристики структуры до и после электроформовки. Как видно, структура может находиться в одном из двух состояний - состоянии с высоким сопротивлением (HRS) и состоянии с низким сопротивлением (LRS), которые отличаются по сопротивлению более чем на порядок величины, что отвечает типичным требованиям к функционированию мемристивных структур для их применения в качестве элементов памяти.To obtain a memristive effect, the capacitor structure after manufacture is subjected to electroforming by applying a negative voltage. In FIG. 12 shows typical current-voltage characteristics of the structure before and after electroforming. As you can see, the structure can be in one of two states - a state with high resistance (HRS) and a state with low resistance (LRS), which differ in resistance by more than an order of magnitude, which meets the typical requirements for the functioning of memorial structures for their use in as memory elements.

Было определено влияние облучения на значения токов при напряжении +0,5 В (напряжение считывания) в состояниях с высоким и низким сопротивлениями. Эксперименты проводят следующим образом. Каждую структуру после электроформовки подвергают пятикратному переключению из LRS в HRS и обратно (пять циклов переключения), после чего проводят облучение ионами. При этом перед облучением одни структуры переводятся в LRS, другие - в HRS, так как результат облучения может зависеть от исходного состояния. После облучения в обоих случаях измеряют токи при считывающем напряжении. Прежде чем переходить к следующему сеансу облучения, со структурой проводят те же манипуляции с подачей отрицательного и положительного напряжений, что и для исходной структуры, и, если переключение из одного состояния в другое сохранилось, структуру переводят в нужное состояние, после чего следует очередное облучение до заданного флюенса.The effect of irradiation on the values of currents at a voltage of +0.5 V (read voltage) in states with high and low resistances was determined. The experiments are carried out as follows. After electroforming, each structure is subjected to five-fold switching from LRS to HRS and vice versa (five switching cycles), after which ion irradiation is performed. In this case, before irradiation, some structures are transferred to LRS, others to HRS, since the result of irradiation may depend on the initial state. After irradiation, in both cases, currents are measured at the sensing voltage. Before proceeding to the next irradiation session, the structure is subjected to the same manipulations with applying negative and positive voltages as for the initial structure, and if the switching from one state to another is preserved, the structure is transferred to the desired state, followed by the next irradiation to given fluence.

Из данных фиг. 13 следует, что вплоть до облучения максимальным использованным флюенсом (Si⁺+O⁺), эквивалентным, согласно расчету, флюенсу реакторных нейтронов с энергией ~1 МэВ, равному 10¹⁷ см^-2, резистивное переключение сохраняется, а значения токов в большинстве случаев испытывают изменения, не превышающие разброс значений для исходных (необлученных) структур. В некоторых случаях непосредственно после облучения в HRS значение тока возрастает, но после первого же цикла перезаписи резистивные состояния воспроизводятся (с учетом разброса). В случае облучения в LRS существенных изменений токов вообще не наблюдалось. Полученные результаты имитационного тестирования позволяют прогнозировать высокую радиационную стойкость указанных мемристивных структур.From the data of FIG. 13, it follows that up to irradiation with the maximum fluence used (Si ⁺ + O ⁺ ), which is equivalent, according to the calculation, to the fluence of reactor neutrons with an energy of ~ 1 MeV equal to 10 ¹⁷ cm ^-2 , the resistive switching is preserved, and in most cases they experience current values changes not exceeding the scatter of values for the initial (non-irradiated) structures. In some cases, immediately after irradiation in HRS, the current value increases, but after the first overwrite cycle, resistive states are reproduced (taking into account the scatter). In the case of irradiation in LRS, significant changes in currents were not observed at all. The obtained results of simulation testing allow us to predict the high radiation resistance of these memristive structures.

Таким образом, предлагаемый способ, представляя собой новый эффективный метод имитационного тестирования стойкости приборных структур к облучению быстрыми нейтронами, обеспечивает выполнение указанной актуальной задачи на основе применения простого и доступного по стоимости стандартного оборудования для получения экспрессной оценки чувствительности параметров приборных структур к воздействию нейтронных потоков.Thus, the proposed method, representing a new effective method for simulating the resistance of instrument structures to fast neutron irradiation, provides the fulfillment of this urgent task based on the use of simple and affordable standard equipment to obtain an express estimate of the sensitivity of instrument structure parameters to neutron fluxes.

Claims

1. A method for simulating the resistance of an instrument structure to irradiation with fast neutrons by exposing the indicated structure to equivalent radiation of a different type and evaluating the degree of radiation resistance from the deviation of the criterion parameters of the structure as a result of such an effect, characterized in that the instrument structure is exposed to equivalent irradiation with fluence ions 10 ⁹ cm ^-2 to 10 ¹⁵ cm ^-2 and an energy range of 1-500 keV specified depending on the composition and morphology of the structure, thus made more precise the estimated values of the fluence and energy of ions, providing equivalence, are determined by calculation, by computer simulation of the concentration and distribution of displaced atoms when irradiated by ions in sensitive areas of the instrument structure and by comparison with the results of the same computer simulation when irradiated by fast neutrons, and to establish the correct calculation of the equivalent fluence, choose ion irradiation fluence, in which a change in the criterion parameters exceeds the sensitivity threshold of the agents control criterion parameter is determined corresponding to an equivalent fluence fast neutron irradiation is carried out single full size test device structure by irradiation with fast neutrons at an equivalent fluence, comparing the obtained deviation with a deviation criterion parameter at a selected fluence and ion irradiation is judged according to the result of comparison about the correctness of the calculation of the equivalent fluence.

2. A method for simulating the resistance of an instrument structure to irradiation with fast neutrons by exposing the indicated structure to equivalent radiation of a different type and evaluating the degree of radiation resistance from the deviation of the criterion parameters of the structure as a result of such exposure, characterized in that the instrument structure is exposed to equivalent irradiation with fluence ions 10 ⁹ cm ^-2 to 10 ¹⁵ cm ^-2 and an energy range of 1-500 keV specified depending on the composition and morphology of the structure, thus made more precise the estimated values of the ion fluence and energy, ensuring equivalence, are determined by calculating, by computer simulation of the concentration and distribution of displaced atoms during ion irradiation in sensitive areas of the instrument structure and comparing with the results of the same computer simulation when irradiating with fast neutrons, the critical ion fluence is compared with a fluence equivalent to a given maximum permissible fast neutron fluence, and if this ion fluence is less than critical, then conduct a one-time full-scale test with a fast neutron fluence equal to the maximum permissible, if the deviation of the criterion parameters does not exceed the allowable value, then the test of the resistance of instrument structures to fast neutron irradiation is carried out by irradiation with ions with a fluence equivalent to the maximum permissible fast neutron fluence.

3. The method according to p. 1 or 2, characterized in that the computer simulation is carried out by the Monte Carlo method.

4. The method according to p. 1 or 2, characterized in that the instrument structure is made on the basis of silicon or germanium.

5. The method according to p. 1 or 2, characterized in that the instrument structure is made on the basis of a semiconductor compound of type A ₃ B ₅ .

6. The method according to p. 1 or 2, characterized in that for simulation testing using ions of chemical elements that make up the sensitive region of the instrument structure, or select ions that are close in mass to them, for example, ions of inert gases.

7. The method according to p. 2, characterized in that the memristor thin-film structure with multiple resistive switching is selected as the instrument structure.

8. The method according to p. 2 or 6, characterized in that the switching voltage from the low resistance state to the high resistance state, the transition voltage from the high resistance state to the low resistance state and the magnitude of the currents in these states are selected as criteria parameters .