Введение к работе
Актуальность тема диссертации.
Применение полупроводниковых приборов в полях проникающих излучений, а также разработка и внедрение эффективных радиационных методов в современную полупроводниковую технологию требуют всестороннего изучения влияния радиационных дефектов (РД) на их характеристики. Наряду с этим, выяснение роли различного рода структурных нарушений в электрическом пробое p-n-пвреходов всегда имело свое особое значение в связи с необходимостью получения качественных приборов с высокими пробивными напряжениями.
К настоящему времени уже известны основные механизмы влияния проникающих излучений на электрический пробей кремниевых p-n-переходов, а также процессы перезарядки глубоких уровней (ГУ) дефектов в условиях сильных электрических полей. Однако ряд вопросов требует дальнейшего изучения. Во-первых, остаются невыясненными механизмы перезарядки ГУ РД при повышенных значениях плотности пробивного тока, что соответствует режиму функционирования многих лавинно-пролетных диодов и стабилитронов. Во-вторых, в процессе деградации пробивных параметров p-n-переходов не изучена роль различных типов РД, вводимых облучением одновременно в п- и р-области, что характерно' для переходов с плавным профилем распределения примеси. В-третьих, до сих пор не изучены механизмы влияния РД на пробой p-n-пареходов в области, криогенных температур, соответствующих существенному изменению электрофизических характеристик кремния.
Последний вопрос в наши дни приобрел большую актуальность в связи с наметившимся развитием криоэлектроники, особенно после открытия высокотемпературной сверхпроводимости. Перекрытие рабочего диапазона температур сверхпроводников и полупроводников позволяет создавать устройства на базе комбинации этих материалов и приборов на их основа.'Подобные изделия обладают-рядом новых свойств, а также намного лучшими характеристиками по сравнению со своими аналогами, рассчитанными на обычные температуры. Однако широкое практическое использование таких гибридных устройств невозможно без знания влияния РД на свойства полупроводниковых материалов и их приборов при криогенных температурах. В первую очередь, это следует отнести к приборам, получаемым, на сильколегиро-
ванном кремнии, как наиболее перспективном для работы при сверхнизких температурах из-за более слабого влияния на его параметры процесса выморахшвания свободных носителей заряда на уровни основных легирующих примесей.
Рвязь работы с крупными научными программами.
Работа выполнялась в Институте физики твердого тела и полупроводников НАШ в рамках тем НИР республиканских комплексных програш фундаментальных исследований в области естественных наук "Кристалл-12а" и яКристалл-2.10а".
Целью работы являлось выяснение закономерностей изменения характеристик электрического пробоя кремниевых p-n-переходов в диапазоне температур 4,2-320 К, подвергнутых облучению электронами с энергией 4 МэВ.
Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи исследования: .'
-изучить влияние вводимых электронным облучением РД и их отжига на лавинный пробой кремниевых p-n-пэреходов с плавным профилем распределения примеси;
-выяснить особенности влияния процесса перезарядки ГУ РД на лавшшый пробой ллавкых p-n-переходов в области больших пробивных токов и температур 77-320 К:
-исследовать влияние проникающих излучений на обратные характеристики кремниевых p-n-переходов с туннельным и смешанным механизмами пробоя при криогенных температурах.
Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:
-Впервые установлено, что радиационные изменения при комнатных температурах обратной ВАХ в области лавинного пробоя кремниевых p-n-переходов определяется главным образом РД, содержащими основные лагирупцие примеси.
-Впервые получена зависимость вероятности включения естественных микроплазм кремниевых p-n-переходов от флюенса электронного, облучения.
-Впервые установлено, что при отжиге радиационных центров происходит изменение температурной зависимости напряжения лавинного пробоя не только при температурах, соответствующих их перезарядке, но и при более низких.
-Показано, что, изменяя с помощью условий облучения тіш вво-
дашх РД, можно получить термокомпенсированные кремниевые стабилитроны, функционирующие в области температур вплоть до 78 К.
-Впервые экспериментально показано, что на обратной ВАХ в области больших пробивных токов облученных кремниевых р-п-переходов возникает участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением (ОДС), обусловленный перезарядкой глубоких уровней РД в результате лавинно-теплового разогрева кристалла образца.
-Впервые показано, что обратная ВАХ кремниевых низковольтных (3-6 В) р-п-переходов претерпевает при электронном облучении наиболее сильные изменения в области температур 4,2-30 К, соответствующих вымораживанию носителей заряда на уровни легирующих примесей.
Практическая значимость полученных результатов определяется тем, что на их основании мокно:
-прогнозировать функциональные возможности кремниевых приборов с лавинным и туннельным механизмами пробоя в полях проникающих излучений и диапазоне температур от гелиевых до комнатных;
-моделировать работу указанных приборов, содержащих не только радиационные, но и другие типы дефектов;
-использовать проникающие излучения в технологии изготовления кремниевых приборов с целью придания им необходимых свойств; в частности, разработаны конкретные способы, защищенные авторскими свидетельствами на изобретение, по использованию электронного облучения для термокомпенсации напряжения стабилизации кремниевых стабилитронов в любом заданном интервале температур.
Экономическая, значимость полученных результатов заключается в том, что использование проникающих излучений в технологий изготовления полупроводниковых приборов приводит к сокращения трудовых и энергетических затрат по сравнению с существующими традиционными технологическими способами.
Основные положения диссертации, выносимые на зашиту.
1. Изменения при комнатной температуре обратной ВАХ в области
лавинного пробоя кремниевых р-п-переходов в результате электрон
ного облучения и отжига вызваны соответствующими изменениями кон
центрации РД, содержащих в своем составе основные легирующие при
меси.
2. Увеличение вероятности включения микроплазм кремниевых
р-п-переходов 'при электронном облучении связано с увеличением в
их объеме концентрации свободных носителей заряда в результате генерации с ГУ РД.
-
Возникновение участка ОДС на обратной БАХ в области больших пробивных токов облученных кремниевых p-n-переходов с отрицательным температурным коэффициентом напряжения лавинного пробоя обусловлено термоэмиссией носителей заряда с ГУ РД в результате ла-вшшо-тешювого разогрева образцов.
-
Наличие гистерезиса на обратной ВАХ при низкотемпературном лавинном пробое облученных кремниевых p-n-переходов связано с ударной ионизацией ГУ РД вблизи границы перехода.
-
Обратная ВАХ кремниевых p-n-переходов с туннельным механизмом пробоя претерпевает при электронном облучении наибольшие изменения в роласти температур 4,2-30 К в результате изменения степени компенсации базового кремния.
Димний вклад, соискателя. Содержание диссертации отражает личный вклад автора. Он принимал непосредственное участие в получении всех результатов, представленных в работе. Результаты были проанализированы совместно с научным руководителем. Соавторы работ, представленных ниже, принимали участив в подготовке и проведении отдельных экспериментов, а также обсуждении результатов. Обработка и интерпретация данных, а также выводы сделаны автором лично.
Апробация результатов диссертации. Результаты диссертации докладывались на XII Всесоюзной конференции по микроэлектронике (Тбилиси, 1987), на Всесоюзных семинарах "Вопросы обеспечения радиационной стойкости ЭРИ, элементов и материалов к воздействию ИИЯВ" (Баку, 1989 и Харьков, 1990), на I Всесоюзной научно-технической конференции "Радиационная стойкость бортовой аппаратуры и элементов космических аппаратов" (Томск, 1991) и на международной конференции "Взаимодействие излучений с твердым телом" (Минск, 1995).
Опубликоввшость результатов. По результатам диссертационной работы опубликовано 15 печатных работ, в том числе 9 статей, и получено 2 авторских свидетельства на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и списка литературы. Она-содержит 132 страницы, в том числе 33 рисунка, 2 таблицы и 185 источников литературы.
