Введение к работе
Актуальность теин. Кремниевые ЛЦЦ и р- I -п диоды широко используются в современной СВЧ технике как активные элементы (13Ч генераторов, СВЧ генераторов шума, модуляторов и т.д. Принципиальные особенности диодов, условия эксплуатации, особенно жесткие і*ля ЛДД ( Е > I05 0/смД\~ 200С, J> I04 А/см2), широкий диапп-эон внешних воздействий вызывают потребность глубокого изучения причин и механизмов развития отказов с целью их предотвращения. 1а всех стадиях жизненного цикла приборов для получения первичной інформанті применяются испытания до отказа в ускоренных режимах. )днако, форсированные испытания, основанные на использовании но--ненапряженных режимов работы диодов, как и ускоренные испытания іри Повышенных температурах, нельзя считать неразругааицими. Поз-гому в настоящее время все большее внимание уделяется развитии (етодов контроля и прогнозирования надежности по информативным іаралетрам, которые основаны на предположении о существовании спя їй меаду надежностью и начальными значениями информативных пара-іетров изделий. Обычно такие методы основаны на проведении несга-дартных измерений и исследований и несут информацию об интенсив-гасти процессов, приводящих к ухудшению основных эксплуатационных араметров. Они позволяют выявить те признаки, по которым можно удить о потенциальной ненадежности прибора. Основное преимущест-о методов электрофизического диагностирования заключается в их кспрессности, большой достоверности и й том, что они являются еразрушашаши.
Большое значение для технических приложений, помимо дальней-его развития методов диагностики потенциально-ненадежных прибо-ов и прогнозирования срока службы, имеет также разработка спосо -ов повышения выходных параметров и стабилизации их во времени, ри решении этих задач наряду с технологическими (выбор защитны? ітериалов для герметизации СВЧ диодов) в последнее время начали гзвиваться и другие методы, используюзціе активные воздействия. ним относится, в частности, метод воздействия на приборы ') -«вантами Со , в основе которого лежит процесс преобразования гфрктов в кристаллической решетке.
Перечисленные выше физические и технические проблемы были звдметом изучения в настоящий диссертации.
Цель и задачи работы. Целью работы являлось исследование іхпшзмов деградации кремниерьк ЛГІД со структурой р+-л~п'~ или
р*-р-п-п+ и p-L-п диодов{разработка неразрушащих методов контроля іі определение информативных параметров для оценки качества р-п-переходов исследованных приборові а также поиск путей устранения отказов приборов. Дяя достижения этой цели в работе решались следующие основные задачи:
1« Разработка методов неразруаающего контроля качества кремниевых ЛІ1Д ир-і-п диодов, позволяющих производить отбраковку потенциально-ненадежных диодов,
-
Выяснение механизмов деградации ШЧ диодов па основании исследований процессов, происходящих при долговременной наработке, а танке выяснение природы дефектов, приводящих к отказам.
-
Определение типа структурных дефектов, ответственных за высокий уровень избыточного тока в диодах, на основании сопоставления результатов рентгеноструктуркых исследований кремниевых р*-п-п+ структур о электрическими характеристиками созданных на их основе приборов.
-
Исследование влияния малых доз ^-радиации на электрические параметри кремниевых СВЧ диодов с целью разработки низкотемпературного метода очистки р-п-переходов от точечных дефектов
Объекты исследования. В диссертации исследовались кремниевые ЯЦД со структурами р+-п-п+ и р+~р-п-п+. В структурах р+-и-п* р+-п-переход создавался диффузией бсра в епитакеиальный н-сдой кремниевой и'-п пластины. Для структур р'-р-и-п4" Сил использован опитаксиальный метод получения р-п-иерехода. Конгактом для^ обоих тшшй структур к р+-слоо служила система иеталлизацииТі-Р«А~Ас или Cr-Pt'Au , к п*-слсю - Tl-fj,-r«'Au, Концентрации легирующей примеси в п-слое р+-п-п* структур составляла (3-5)-1016 см~^ или (1,7-1,9)-1017 с»"1- і в р~ и п-слиях р+-р-п-п* - (3,3 -
4,0) 1035 cm~j и (3,0 - 3,b)-JU16 см-3, соответственно. В р-
І -п диодах концентрация легирующей примеси в высокоошюм слое лекала в диапааоне 6-Ю - 2,5-Ю" см , ширина базы у дио-дои из различных партий била 1,0 - 5,2 мкм. Диаметр р-п-перкхо-да составлял, ь осноиноы, 40-60 мки для ЛЦЦ а 50-70 мкм цля р-
і -к диодов.
Научная ноьііЗііц. Установлен.), что доминирующей причиной цеградации кремииевщ ІІІ1Д с mhojч.елейным контактом (например, (і. \\{- Aul нвляеісії образг.-iiaHHG интерметаллических соедине-ni'.f іц .жонтыпной і.(іі, нлп, в 'і'О время і?аи основной причиной
цеградации параметров p-t -п диодов является возникновение про-»одя№ каналоя у поверхности.
Установлено, что краевые дислокации, проросшие из подложки г эпитаксиалышй слой, ответственны за высокий уровень туннельного тока в ЛДД, снижение выходной СВЧ мощности и долговечности ди-эдов при их плотности Ш см . Такая же плотность дислокацион-шх петель в подложке не приводит к ухудшению характеристик ЛІЩ.
Обнаружено, что значительные уровень спектральной плотности «ощкости шума характерен для ЛПД с высоким уровнем туннельной [омпонента тока. Это является следствием роста флуктуации обрат-[ого тока, приводящего к дополнительным флуктуациям лавинного тога.
Впервые а р-1 -п диодах экспериментально исследовано влияйте концентрации примеси в базе и ширины базы на величину критической плотности тока Хк импульсных БАХ.^Установлено, что в 1-і -п диодах возникновение (при J а Т^р ^обусловлено объемным арядом неравновесных носителей тока, а при J > У , как пра-ило, наблюдается эффект шнурования тока.
Выяснена причина улучшения статических и динамических хара-териотик кремниевых ЛДЦ при облучении \ -квантами Со и пред-ожена модель радиационно-стимулированного преобразования дефек-ов.
Практическая ценность. Разработан способ отбраковки кремни-вых шумовых ДПД, защищенный а.с. № ІІ00586, позволящий отбирать йоды с высоким уровнем (БЧ шума непосредственно с кремниевой пастины.
Разработана установка для измерения импульсных ВАХ с дли-эльностьо импульсов 15-40 не, защищенная а.с. № ІІ3400І, на азе которой созданы методики отбраковки р-1 -п диодов, а также іределения теплового сопротивления диодов и, соответственно, змпературы р-п-переходов.
Разработана методика, позволяющая по виду производных ВАХ области развития лавинного пробоя производить неразрушагаций жтроль качества р-н-переходов и отбирать ЛДЦ с долговечностью фи Tp.,v - 200С) выше 25 тыс.ч, в случае использования в мно-)слойной контактной металлизации PcL . При использовании в поздней Pfc данная методика позволяет отобрать диоды со сред-ім временем наработки до отказа 10 ч.
Разработан и защищен п.с. * 8J8I66 компаунд КЭН-Ic, исполь-
зииание которого в серийном производстве для защити ЩЦ и р~ L -н диодов позволило получить приборы, выдерживающие испытания на влагоустойчивость по X и УШ степеням жесткости ГОСТа кО.ЮЛОЬ--81» соответственно.
Основные положении, выносимые на ааарт.у.
І. Основной причиной деградации кремниевых ДВД является ухудшений алекгричеейого и теплового сопротивления контактов вследствие взаимной диффузии материалов контакта и кремния. Энергия активации процесса дзградацил ЛІЩ в случае контакта Tl-Pel-А и. (к р'*-слою) составила 0,6 эВ, Использование контакта Cf-Pl-Au позволило увеличить энергию активацию процесса деградации А I»2 оВ и достигнуть среднего временя наработка на отказ 4-Ю ч. Катастрофические отказы кремниевых ЛСД связаны с закорачиванием р-п-перехода проводящим каналом, образующийся вследствие шнурования тока в области локальной неоднородности.
її. Высокий уровень обратного тика в кремниевых ДІ1Д с плотностью краевых дислокаций в подложке > W ем обусловлен тун-иелированием носителей в 0113 р-п-перехода через уровни в запрещенной зоне связанные с краевыми дислокациями (многошаговое ту-инезшров&ние). Этот »і|фекї сопровождается ростом флуктуации обратного тока и, соответственно, флуктуации лавинного тока, что приводит к увеличению спектральной плотности мощности щума ЛСД.
-
«первые в кремниевых Ж1Д экспериментально обнаружено, предсказанное теорией отрицательного дифференциального сопротивления (ОДС), возрастание критической плотности тока Ти импуль спей ЬАХ ('Си. = 15 не) p-L-o диодов с ростом концентрации примеси в базе и шириш бази. Эта зависимость свидетельствует о том, что (ЩС обусловлено объемным ааредом неравновесных носителей тока. При J > J о p-L-n диодах происходит шнурование лавинного тока.
-
Эффект улучшения статических и динамических характеристик кремниевых ЛЦЦ при облучении >-квантами Со обусловлен радиационно-стимулированным отжш-ом сложных рекомбцнационньк центров в кристалле, сопрововдашашея изменением рекомбинацнонных и электрических параметров диодных структур.
Апробация работы. Основные результаты работы били доложены іії. всесоюзном совещании "Методы повышения надежности полупроводниковых iijh6oj;ou" ((Севастополь, ІУІЮ г.), на научно-технической
онференции "Оценка и обеспечение длительной работоспособности зделий электронной техники в радиоэлектронной аппаратуре народ-о-хозяйственного значения" (Севастополь, 1981 г.), на I Всесо-зиой конференции "Физические оскопи надежности и деградации по-/проводниковых приборов" (Кишинев, 1982 г,), на ІУ Международной ундской конференции по примесям с глубокими уровнями в полупро-одниках (Венгрия, Эгер, 1983 г.), на IX Республиканском семина-з по физике и технологии тонких пленок (Ивано-Франковск» 1908 г.) а ІУ Республиканской научно-технической конференции по методам иатестирования в задачах управления качеством и надежностью Чернигов, 1989 г.), на III Всесоюзной конференции по физике и эхнологии тонких полупроводниковых пленок (Ивано-Франковск, Э90 г.), на научных семинарах Института полупроводников АН УССР.
Публикации. По результатам выполненных исследований имеется [ публикаций в центральной научной печати, 5 публикаций в матеріалах Всесоюзных, Республиканской и Международной конференций и авторских "свидетельства.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из вве-эния, четырех глав, заключения, списка литературы и публикаций, виложений. Она изложена на 260 страницах, включая 70 рисунков, 5 таблиц и список литературы из 223 наименований.
