Введение к работе
Актуальность работы. Широкое применение изделий оптоэлектроники, и в частности, кремниевых фотоприемников, в условиях воздействия ионизирующих излучений поставило перед специачистами проблему исследования их радиационной стойкости. Одно из практических направлений таких исследований - разработка методов оценки изменения электрических параметров полупроводниковых приборов при воздействии ионизирующих излучений В процессе облучения параметры кремниевых фотопрнемников претерпевают суще--ствениые изменения вследствие возникновения различного рода радиационных дефектов в их активных и пассивных областях, изменяющих концентрацию, подвижность и время жизни носителей заряда. Эффективность радиационного воздействия в большой мере зависит от степени совершенства исходных материалов, характера легирования, структуры р-п-перехода, от особенностей протекания физіпеских явлений, на использовании которых основаны принципы работы приборов, от их геометрии и конструктивных особенностей. Поэтому задача исследования изменения характеристик кремниевых фотоприемных уг^-ройств под действием различных видов проникающей радиации представляется весьма актуальной.
Надежность современных полупроводниковых приборов п интегральных микросхем в зависимости от условий эксплуатации оценивается по уровня! і интенсивности отказов в пределах 1(Г7-10"9ч"'. Перспективные требования по надежности приборов, предназначенных для использования в аппаратуре космических объектов длительного существования достигают по интенсивности отказов величины порядка 10"10 ч"1. Подтверждение столь высоких значений надежности прямыми статистическими испытаниями практически невозможно. Прямые испытания приборов экономически не выгодны, так как требуют огромных затрат оборудования, приборов и энергоресурсов. Одним из выходов из создавшегося положения является разработка методов ускоренных испытаний на надежность, а также методов индивидуального прогнозирования надежности-изделий электронной техники, и в частности фотоприемных устройств. В этой
связи в настоящее время большое внимание уделяется изучению радиационно-термических воздействий на полупроводниковые материалы и приборы. В этом случае ионизирующее излучение может служить фактором, ускоряющим процессы деградации и способствующим проявлению скрытых дефектов, невыяв-лениых на выходном контроле. Все это также обуславливает актуальность проведения исследований по выбранной тематике.
На основании вышесказанного, г. данной диссертационной работе была поставлена цель, во-первых, экспериментально исследовать изменение основных электрофизических характеристик исследуемых оптоэлектронных приборов при радиационном облучении и термическом отжиге, во-вторых, разработать методику проведения ускоренных испытаний приборов с применением радиационного облучения, и в-третьих, разработать модель, позволяющую прогнозировать изменение основных информативных параметров приборов при облучении.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи.
-
Провести сравнительный анализ физических процессов, протекающих в кремниевых фотоприемных структурах при воздействии различных видов ионизирующих излучений, а также оценить эффективность этих воздействий на исследуемые приборы.
-
Установить закономерности изменения основных параметров и характеристик приборов при облучении и определить предельную дозу облучения, при которой значения параметров выходят за нормы технических условий.
-
Провести анализ кинетики накопления и энергетического спектра глубоких радиационных центров в базовой области исследуемых структур, а также установить взаимосвязь скорости изменения электрических параметров и концентрации глубоких радиационных центров.
-
Разработать методику для выявления структур со скрытыми технологическими дефектами с помощью тестового радиационного облучения и термического отжига применительно к структурам фотоприемников ФД—141.
5) Разработать методику прогнозирования изменения основных информативных параметров в зависимости от энергии ионизирующего излучения для исследуемого класса полупроводниковых приборов.
Для успешного решения поставленных задач необходимо провести исследование радиационных процессов в фотоприемниках и фотодиодах в широком диапазоне потоков быстрых частиц и экспозиционных 'доз гамма-излучения. Так, для разработки методики радиационной отбраковки потенциально ненадежных струїсгур целесообразно проводить облучение небольшими потоками (1012 \014 см"2). При исследовании предельной радиационной стойкости и соответствующих изменений основных характеристик приборов, необходимо увеличить интегральные потоки частиц до 1016 см"2 и дозу гамма-квантов до 10s Гр. На основании этого при проведении экспериментальных исследований в данной работе интегральные потоки нонизиругощігх излучений изменялись в пределах отЮ12 до 1016см"2, адозагамма-кваїггов - от5'102 до 106 Гр.
Для выявления общих закономерностей и специфики поведения параметров приборов при воздействии радиации были исследованы приборы четырех конструктивно-техлолопгіескігх вариантов. V
Научная новизна полученных в данной работе результатов заключается т следующем:
- обнаружено, что при облучении всех исследуемых типов кремниевых
фотоприемников (ФД-141, ФД-137, ФД-23К, У82А) гамма-квантами измене
ние ігх параметров в основном обусловлено поверхностными раднацнон ьіміг
эффектами, в то время как при электронном облучении определяюнгую роль
играют процессы накопления глубоких центров в объеме кремния;
- на основании результатов исследований изменения прямых вольт-
амперных характеристик (ВАХ) и спектров фоточувствительности показано, что
при электронном облучении потоками ^2-1014 см"2 определяющую роль в изме
нении электрических и оптических параметров фотоприемннков играют про
цессы в области р-п-перехода, а при больших потоках доминируют процессы в
базовой области;
определены уровни критических доз (потоков) облучения, которые приводят к резкому измененшо электрофизических параметров фотоприемных структур,
обнаружено, что при облучении р+-п-структур фотодиодов ФД-23К в базовой области преимущественно образуются глубокие радиационные центры с энергетическим положением Ес-0,22, Ес-0,36, Ес-0,44 эВ;
показано, что с помощью облучения п+-р структур фотоприемников ФД-141 небольшими потоками электронов (1013см~2) можно исправить параметрический брак, по уровню темнового тока;
разработана расчетная методика прогнозирования изменений основного информативного гараметра фотоприемников (темнового тока) при облучении быстрыми электронами различной энергии;
разработана расчетная методика оценки концентрации радиационных центров в базе фотоприемных структур.
Практическая полезность работы заключается в следующем:
1) Результаты работы вошли в отчетные и методические материалы по
НИР "Юпитер-l", принятой заказчиком (в/ч 67947).
2) На основе полученных экспериментальных зависимостей темнового то-
. ка фотодиодных структур четырех типов от потока облучения, установлены
уровни их предельной^радиационной стойкости.
3) Показана эффективность метода индивидуального прогнозирования
надежности фотоприемников с применением облучения, интегральными пото
ками электронов и гамма-квантов для приборов ФД-141.
4) Разработана радиационная методика выявления и отбраковки структур,
содержащих скрытые технологические дефекты, с помощью тестового элек- .
тронного облучения электронами (с энергией 1-6 МэВ) и последующего терми
ческого отжига;
5) Разработана методика восстановления параметрического брака по
уровню темнового тока для приборов ФД-141.
Основные результаты выносимые на защиту:
-
Результаты исследований изменений темпового тока кремниевых фотоприемников четырех типов при воздействии электронного и гамма-излучений в шігроком диапазоне потоков (доз).
-
Результаты исследований вольт-амперных, вольт-фарадных характеристик и спектров фоточувствителыюсти фотодподных структур четырех птов на различных этапах облучения и отжига. ,
-
Результаты исследовагом кинетики радиационного дефектообразования в базовой области кремниевых фотоприемников ФД-23К методом релаксационной спектроскопии глубоких уровней (РСГУ).
-
Результаты радиационной отбраковки приборов ФД-141; содержащих скрытые технологические дефекты.
-
Методика оценки концентрации радиационных центров в базе фотодиодных структур на основе экспериментальных вольт-фарадных характеристик. .,
-
Методика прогнозирования изменений основных- параметров исследуемых приборов при облучения электронами различных энергий.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 4 Межотраслевой научно-технической конференции "Надежность и контроль качества изделий электронной техники" (Звенигород, 3-17 июня 1993 г.), на Межрегиональной научно-технической конференции "Комплексное математическое и физическое моделирование, обеспечение надежности электронных приборов и аппаратуры" (Бердянск, 5-Ю сентября І 994 г.), на ежйгод--ком научно-техническом семинаре "Шумовые и деградацнонные процессы в полупроводниковых приборах (метрология,диагностика, технология)" (Москва, 28 ноября-1 декабря 1994 г.).
Публикации. По материалам диссертации в различных изданиях опубли
ковано б.работ.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения,
трех глав, заключения и трех приложений с общим объемом 155 страниц, в том
числе 40 рисунков, 8 таблиц и список используемой литературы из 76 наимено
ваний. ' '
