• A
  • A
  • A
  • АБB
  • АБB
  • АБB
  • А
  • А
  • А
  • А
  • А
Обычная версия сайта
Версия для слабовидящихЛичный кабинет сотрудника ВШЭПоискМеню

Комплексное мультифизическое моделирование базовых конструкций и технологий нового поколения микроминиатюрных, микромощных полупроводниковых фото- и бета-вольтаических элементов питания и сенсоров с длительным сроком службы для автономных медицинских и технических систем различного назначения

Приоритетные направления развития: инженерные науки
2019

Цель работы

Изучение средствами моделирования и САПР характеристик полупроводниковых  микроминиатюрных источников энергии и датчиков нового поколения на основе фото- и бета-вольтаических эффектов (с использованием источников бета -частиц), применение которых открывает прорывные возможности в области медицины (кардио- и нейростимуляторы, слуховые аппараты, устройства для преодоления слепоты, аппараты для онкологии, биосенсоры и др.) и техники (беспилотные ЛА, «черные ящики» МЧС, устройства поиска в недоступных местах,  безопасность, ядерная энергетика и др.).

Используемые методы

В работе принята многоуровневая концепция разработки методов и средств моделирования и проектирования электронной компонентной базы (ЭКБ) по принципу «снизу-вверх» в следующей последовательности: излучение- полупроводниковый (п/п) материал - п/п прибор - микросхема (или функциональный узел БИС.

На каждом из перечисленных уровней ЭКБ используется методология мультифизического моделирования, являющаяся в настоящее время одним из наиболее перспективных направлений математического моделирования  сложных иерархических систем, используемых ведущими мировыми компаниями и исследовательскими .

Для каждого уровня ЭКБ разрабатываются новые или модифицируются несколько видов моделей, в частности:

  • модели воздействии радиационного облучения и светового потока на полупроводниковые приборы;

  • приборно-технологические, в которых физические  эффекты различной природы описываются 2-х и 3-х мерными уравнениями (ДУЧП) математической физики, которые решаются численными методами в известных системах 2D/3D моделирования ANSYS, COMSOL, Synopsys TCAD, Silvaco TCAD и др.;

Для учета новых физических эффектов, которые ранее не учитывались, в вышеперечисленных моделях различного уровня, используются два универсальных метода:

  • введение в систему уравнений, описывающих элемент (компонент) новых уравнений или аппроксимаций (выражений) для описания дополнительных эффектов и параметров модели, зависимых от конкретного физического воздействия.

  • макромоделирование, когда новый эффект учитывается подключением в эквивалентную схему дополнительных элементов, описывающих этот эффект.

Эмпирическая база исследования

База исследования включала в себя открытые публикации и результаты исследований, проводимых авторами данного Проекта  на имеющемся оборудовании и программном обеспечении.

Результаты работы:

1) Разработана концепция и частные методы мультифизического моделирования конструкций фото- и бета-вольтаических источников энергии и сенсоров излучений в среде универсальных 2D/3D вычислительных комплексов.

2) Разработаны математические модели физических эффектов в структурах фото- и бета-вольтаических элементов питания и сенсоров     К стандартному ядру TCAD присоединена подсистема, учитывающая взаимодействие энергетических потоков фотонов, альфа- и бета-частиц с полупроводниковыми и др. материалами конструкции преобразователей.

3) Разработаны модели взаимодействия энергетических потоков бета-частиц с полупроводниковыми материалами преобразователя.

4) Разработанная подсистема моделирования включает расширенную библиотеку физических моделей для параметров структуры прибора, описывающих воздействие энергетических потоков частиц;

5) в коммерческую библиотеку физических моделей TCAD были добавлены следующие новые модели:

  • эффективные модели темпа генерации электронно-дырочных пар в полупроводниковых материалах под воздействием бета-излучения;

  • TCAD модели для исследования электрических характеристик структур полупроводниковых преобразователей при воздействии на них излучений;

  • Для учета новых физических эффектов воздействия потока частиц, которые ранее не учитывались, в вышеперечисленных использован  универсальный метода: введение в систему уравнений, описывающих элемент (компонент) новых уравнений или аппроксимаций (выражений) для описания параметров модели, зависимых от конкретного физического воздействия.

6) Проведена верификация разработанных моделей на результатах измерений характеристик тестовых образцов преобразователей .Верификация разработанных моделей показала высокое совпадение результатов моделирования по предложенной модели с данными известных источников. Это показывает, что подход, предложенный  для TCAD-моделирования бетавольтаических элементов на основе Si и SiC,  может быть применен для исследования конструкций бетавольтаических элементов с учетом различных внешних факторов.

7) Новизна предлагаемых моделей и методик моделирования элементов бетавольтаических источников питания заключается в том,  для моделирования эффекта генерации электронно-дырочных пар от поглощения бета-частиц применяются известные и хорошо настроенные TCAD-модели поглощения оптического излучения. Такое решение задачи задания скорости генерации в совокупности с применением двух- или трехмерных моделей физических процессов в объеме полупроводника позволяет  исследовать главные характеристики бета-вольтаического элемента с учетом различных факторов конструкции преобразователя.

8) Предложенные модель бета-вольтаического элемента и методики моделирования будут применены на практике для исследования зависимости эффективности работы бета-элеменов от числа и положения источников излучения, структуры профиля примеси  элемент, что является крайне актуальными для практических разработок.

9) Предложена высокоэкономичная с точки зрения вычислительных затрат TCAD-модель фоточувствительной ПЗС-ячейки с микролинзой. Сокращение вычислительных затрат в данной модели по сравнению  с традиционной двумерной моделью достигается заменой реальной структуры ячейки некоторой простой диодной структурой, а эффективность работы микролинзы определяется по двумерным интегралам скорости фотогенерации в специально выбранных областях, соответствующих областям фотодиодов, вертикальных регистров, стока антиблуминга и других, обладающих потенциальными ямами. Такой подход позволяет не решать систему уравнений полупроводника в динамике и сокращает затраты процессорного времени до 10 раз (1-2 минуты вместо 10 – 20 минут на расчет ПЗС в режиме накопления).

10) Разработана методика определения параметров микролинзы фотоприемника, обеспечивающих максимальный коэффициент усиления. Полученные с помощью данной методики значения коэффициентов усиления фоточувствительности ПЗС-ячейки с вертикальным антиблумингом с малыми размерами (5,5х5,5 мкм2) хорошо согласуются с зарубежными данными.

11)  Впервые расчет величины модуляции выходного сигнала строки матричной ФЧ ПЗС ИС проведен с помощью приборно-технологического моделирования распределений накопленных фотогенерированных зарядов с последующим прямым вычислением модуляции по отношениям величин зарядов соседних фотоприемных ячеек. Такой подход с применением TCAD-моделирования впервые позволяет учесть влияние любых топологических, технологических и внешних факторов на разрешающую способность ФЧ ИС.

12) Разработана методика TCAD-моделирования величины модуляции сигнала ПЗС-ячеек для ФЧ ПЗС с вертикальным антиблумингом, которая позволяет проводить максимизацию модуляции путем подбора конструктивно-технологических и электрических параметров ПЗС. Методика опробована в ходе практического проектирования ПЗС ИС и позволила создать конструкцию ПЗС-ячейки с вертикальным антиблумингом с разрешающей способностью, близкой к теоретическому геометрическому пределу.

13) С использованием разработанных моделей проведены моделирование и анализ базовых конструкций нового поколения микроминиатюрных, микромощных полупроводниковых фото- и бета-вольтаических сенсоров и элементов питания,.

По полноте учёта физических эффектов в структурах фото- и бета-вольтаических элементов питания и сенсоров разработанные модели превышают имеющийся мировой и отечественный уровень.

Для разработанных моделей достигнуто хорошее совпадение между смоделированными и измеренными характеристиками тестовых образцов преобразователей. Среднеквадратическая ошибка не более 15–20%.

Расширенные возможности подсистемы TCAD  с разработанными и включенными моделями взаимодействия потоков фотонов- и бета-частиц с полупроводниковыми и др. материалами конструкции энергетических элементов проиллюстрированы на примерах тестовых образцов нового класса полупроводниковых  микроминиатюрных источников энергии на основе радиоизотопов (источников бета-частиц) с длительным периодом полураспада (десятки лет), предназначенных для перспективных  микроминиатюрных источников питания с длительным (десятки лет) сроком службы.

Получены оценки энергетической эффективности фото- и бета-вольтаического преобразования для различных перспективных конструкций источников питания и сенсоров.

Степень внедрения, рекомендации по внедрению или итоги внедрения результатов НИР

Расширенные возможности подсистемы TCAD с разработанными моделями преобразования потоков фотонов и бета-частиц в выходные параметры преобразователей были проиллюстрированы на примерах перспективных конструкций источников питания и сенсоров.

Результаты работы могут заинтересовать, во-первых,  предприятия, занимающиеся применением, микроминиатюрных источников энергии нового поколения на основе радиоизотопов для питания радиоэлектронной аппаратуры, в частности,  АО «Информационные спутниковые технологии им. акад. М.Ф, Решетнева», Красноярский край, г. Железногорск. Во-вторых, результаты могут представлять интерес для предприятий, занимающихся созданием и разработкой бетавольтаических источников, в частности, : ФГУП «НИИ НПО «ЛУЧ» (г. Подольск), ФГУП «Горно-химический комбинат» («ФГУП ГХК»), г. Железногорск, Красноярского края, ФГБУ "Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов" (ФГБНУ ТИСНУМ), г. Троицк  и др. Кроме того, они могут быть полезны специалистам других предприятий, НИИ, вузов, академических учреждений, занимающихся разработкой аппаратуры, используемой в космическом пространстве, медицине, системах связи и передачи информации и др. областях, где затруднен доступ к сети электропитания и требуются микромощные источники питания сверхдлительного срока службы.

Публикации по проекту:


Petrosyants K. O., Kharitonov I. A., Pugachev A., Lvov B. G. I-V- Characteristics Analysis of Betavoltaic Microbatteries Using TCAD Model // Journal of Physics: Conference Series. 2019. Vol. 1353. No. 1. P. 1-7. doi
Petrosyants K. O., Popov D. Comparison of Self-heating Effect in SOI MOSFETs with Various Configuration of Buried Oxide, in: Proceedings of the 2nd International Conference on Microelectronic Devices and Technologies (MicDAT '2019). Barcelona : International Frequency Sensor Association (IFSA), 2019. С. 24-28. 
Adonin A. S., Petrosyants K. O., Popov D. Modeling of the Submicron MOSFETs Characteristics for UTSi Technology, in: Proceedings of SPIE 11022. International Conference on Micro- and Nano-Electronics 2018.: SPIE, 2019. С. 1-6. 
Petrosyants K. O., Nikita I. R. Quasi-3D Thermal Model of Stacked IC-TSV-BGA Package, in: 25th INTERNATIONAL WORKSHOP on Thermal Investigations of ICs and Systems (THERMINIC 2019). Milan : IEEE, 2019. С. 1-4. 
Petrosyants K. O., Kozhukhov M. V., Popov D. Radiation- and Temperature-Induced Fault Modeling and Simulation in BiCMOS LSI’s Components using RAD-THERM TCAD Subsystem, in: 2019 IEEE 22nd International Symposium on Design and Diagnostics of Electronic Circuits & Systems (DDECS). Cluj : IEEE, 2019. С. 1-4. 
Petrosyants K. O., Pugachev A. A., Kharitonov I. A. Universal physical model of low-power and long lifetime betavoltaic microbatteries, in: Proceedings of the Seventh European Conference on Renewable Energy Systems (ECRES2019). Madrid , 2019. С. 1-7. 
Петросянц К. О., Попов Д. А. Исследование с помощью TCAD быстродействия субмикронных МОП-структур с неравномерным легированием канала, in: XVIII Научно-техническая конференция «Электроника, микро- и наноэлектроника»: 24 - 27 июня 2019 года, г. Суздаль, Россия.: НИИСИ РАН, 2019. С. 27-28. 
Попов Д. А. TCAD-моделирование субмикронных и нанометровых МОПТ КНИ структур с учётом температуры и радиации, in: Международный форум «Микроэлектроника-2019». Школа молодых ученых. Сборник тезисов. Республика Крым, 23-25 сентября 2019 г.. Москва : ООО "Спектр", 2019. С. 270-277. 
Петросянц К. О., Харитонов И. А., Пугачев А. А. Расчет ВАХ бетавольтаических микробатарей с использованием универсальной TCAD модели, in: Наноиндустрия. Специальный выпуск: Международный форум "Микроэлектроника-2019". 5-я Международная научная конференция "Электронная компонентная база и микроэлектронные модули".: Рекламно-издательский центр "ТЕХНОСФЕРА", 2020. С. 291-294. 
Харитонов И. А. SPICE модели МОПТ, учитывающие эффекты старения, in: Наноиндустрия. Специальный выпуск: Международный форум "Микроэлектроника-2019". 5-я Международная научная конференция "Электронная компонентная база и микроэлектронные модули".: Рекламно-издательский центр "ТЕХНОСФЕРА", 2020. С. 300-307. 
Исмаил-Заде М. Р. SPICE-модели JFET и MOSFET в широком диапазоне температур // Известия высших учебных заведений. Электроника. 2020. Т. 25. № 1. C. 40-47. doi
Petrosyants K. O., Popov D. Self-Heating Investigation in SOI MOSFET Structures with High Thermal Conductivity Buried Insulator Layers, in: 2020 36th Semiconductor Thermal Measurement, Modeling & Management Symposium (SEMI-THERM).: IEEE, 2020. С. 56-60. 
Petrosyants K. O., Sambursky L. M., Kozhukhov M. V., Ismail-zade M. R., Kharitonov I. A., Li Bo SPICE Compact BJT, MOSFET and JFET Models for ICs Simulation in the Wide Temperature Range (from -200 °C to +300 °C) // IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems. 2021. Vol. 40. No. 4. P. 708-722. doi
Petrosyants K. O., Pugachev A., Kharitonov I. A., Dymov D. TCAD-model of betavoltaic battery with vertical micro trenches structure, in: Proceedings of 9-th European conference on renewable energy systems (ECRES 2021), 21-23 April 2021, Istanbul , Turkey., 2021. С. 481-483.