质子辐照氮化硅薄膜中指数级泄漏电流增强的机理研究

研究人员针对质子辐照非晶氮化硅(Si3N4)薄膜在高电场下电荷传输机制不明的科学问题，通过实验与理论模型对比，发现传统Frenkel模型和重叠库仑势模型无法解释辐照导致的泄漏电流增强现象。研究创新性地采用Makram-Ebeid-Lannoo(ME-L)多声子陷阱电离模型和Nasyrov-Gritsenko(N-G)声子辅助隧穿模型，首次定量揭示了陷阱浓度增加引发电子邻近隧穿的指数级电流增长机制，为闪存器件可靠性设计提供了重要理论依据。

　　

在现代电子器件中，非晶氮化硅(Si₃N₄)因其高达10¹⁸-10²¹ cm^-3的陷阱浓度和独特的记忆效应，成为闪存技术的核心材料。然而当材料中存在过量硅(SiN_x<4/3)或受到辐照时，其泄漏电流会出现10个数量级的异常增长，这种现象严重威胁器件可靠性却长期缺乏合理解释。更令人困惑的是，传统Frenkel效应和Hill-Adachi重叠库仑势模型在解释这些现象时，要么得出不符合物理实际的超低陷阱浓度(10⁴ cm^-3)，要么需要假设反常的频率因子(10² s^-1)。这些矛盾促使俄罗斯科学院西伯利亚分院的A.A. Gismatulin和V.A. Gritsenko团队开展系统研究，其成果发表在《Scripta Materialia》上。

研究人员采用30 keV质子辐照90 nm厚的Si₃N₄薄膜，通过Keithley 2400设备测量电流-电场(lgj-F)和电流-温度(j-1000/T)特性。结合激光椭偏仪厚度检测和Linkam LTS420E温控系统，对比分析了不同辐照剂量(10¹⁴-10¹⁶ cm^-2)下样品的电学性能变化。

研究结果部分：

1. 1.

   质子辐照效应：实验显示最大辐照剂量使泄漏电流增加4个数量级，但Arrhenius曲线斜率保持不变，证明陷阱电离能(1.6 eV)未发生改变。

2. 2.

   传统模型失效：Frenkel模型需要假设ε_∞=8.9和N=4.5×10¹¹ cm^-3才能拟合数据，与真实陷阱浓度相差甚远；Hill-Adachi模型虽能描述电流增长，但要求非物理的尝试逃逸频率(9×10³ s^-1)。

3. 3.

   ME-L模型适用性：对未辐照样品，多声子孤立陷阱电离模型(ME-L)在m*=0.41m_e、N=5×10¹⁸ cm^-3参数下表现良好，但无法解释辐照后10²⁶ cm^-3的异常浓度。

4. 4.

   N-G模型突破：声子辅助邻近隧穿模型(N-G)成功量化了辐照影响，显示陷阱浓度从1.9×10²⁰ cm^-3(初始)增至4.5×10²⁰ cm^-3(10¹⁶ cm^-2)，有效质量从1.55m_e降至0.8m_e。

这项研究首次建立了质子辐照剂量与氮化硅导电性增强的定量关系，揭示了陷阱介导的声子辅助隧穿是泄漏电流指数增长的本质原因。其理论框架不仅适用于解释SiN_x、SiO_x等非化学计量比材料的电学性能突变，还为抗辐照存储器设计提供了关键参数。特别值得注意的是，研究指出当陷阱间距小于2 nm时，传统孤立陷阱模型必须被邻近相互作用模型取代，这一结论对纳米级介电材料的可靠性评估具有普适指导意义。