Повышение импульсно-частотных, тепловых и инжекционных характеристик биполярных кремниевых структур методом радиационно-термической обработки Лагов Петр Борисович

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Основные механизмы радиационного изменения характеристик полупроводниковых материалов и приборов 17

1.1 Основные механизмы передачи энергии . 17

1.2 Радиационное изменение характеристик приборов . 30

1.3 Спектроскопия радиационных дефектов 43

1.3.1 Электронный парамагнитный резонанс . 43

1.3.2 Релаксационная спектроскопия глубоких уровней . 44

1.3.3 Метод фотолюминесцентной спектроскопии 53

1.4 Эффекты смещения атомов решетки в кремнии 56

1.4.1 Радиационные дефекты в кремнии . 57

1.4.2 Влияние радиационных дефектов на кремниевые приборы 67

1.4.3 Способы повышения радиационной стойкости подложек 73

1.5 Радиационные центры в кремнии при обработке протонами 77

1.6 Выводы 84

Глава 2. Рекомбинация в кремниевых биполярных структурах 85

2.1 Рекомбинация и генерация на глубоких уровнях . 85

2.2 Рекомбинационные примеси золота и платины . 93

2.3 Рекомбинационные центры радиационного происхождения 102

2.4 Радиационно-ускоренная диффузия платины и палладия 107

2.5 Оптимизация параметров рекомбинационных центров 108

2.5.1 Рекомбинационное время жизни 108

2.5.1.1 Рекомбинация Шокли-Рида-Холла 109

2.5.1.2 Низкий уровень инжекции 114

2.5.2 Генерационное время жизни в области пространственного заряда 115

2.5.3 Оптимизация уровня рекомбинации . 118

2.5.3.1 Приборы с низким уровнем инжекции 118

2.5.3.2 Приборы с высоким уровнем инжекции . 122

2.5.3.3 Технологические ограничения . 128

2.6 Технологическое регулирование времени жизни . 130

2.7 Выводы . 137

Глава 3. Повышение импульсно-частотных характеристик биполярных транзисторов . 138

3.1 Особенности работы биполярного транзистора 139

3.1.1 Модуляция проводимости базы 139

3.1.2 Характеристики переключения 142

3.1.3 Особенности геометрии и конструкции . 146

3.1.4 Напряженность электрического поля в мощном БТ . 152

3.1.5 Геометрия эмиттера 153

3.1.6 Характеристики во включенном состоянии 154

3.1.7 Переходной процесс при выключении 157

3.2 Характеристика исследуемых транзисторных структур . 163

3.2.1 NPN-структуры 2Т3117 . 163

3.2.2 NPN-структуры 2Т378 163

3.2.3 PNP-структуры 2Т388 163

3.2.4 NPN-фоторанзистор в составе оптопары 163

3.3 Моделирование РТО на основе обработки ускоренными ионами 171

3.4 Результаты экспериментального исследования РТО на комплекс электрических параметров транзисторных структур 191

3.5 Выводы 195

Глава 4. Регулирование быстродействия диодных структур методом РТО 196

4.1 Динамическое поведение PIN-диода 196

4.1.1 Выключение PIN-диода 196

4.1.2 Основные динамические параметры 200

4.1.3 Увеличение электрического поля при обратном токе 201

4.1.4 Динамический лавинный пробой 203

4.1.5 Срыв тока при обратном восстановлении диода . 209

4.1.5.1 Срыв тока, обусловленный мелкой плазмой 210

4.1.5.2 Срыв тока при малой толщине прибора 212

4.1.5.3 Срыв тока при разбалансе эффективностей эмиттера . 213

4.1.6 Ограничения условий работы диода 214

4.1.7 Принципы конструирования быстродействующих pin-диодов . 217

4.2 Экспериментальное исследование повышения импульсно-частотных характеристик диодов методом РТО 219

4.2.1 Импульсные эпитаксиально-планарные диоды 219

4.2.2 Диффузионные структуры сварочных диодов 221

4.2.3 Планарные силовые диоды 234

4.2.4 Встроенный диод в составе IGBT 241

4.2.5 Встроенный диод в структуре MOSFET 244

4.2.6 Сравнительные исследования термостабильности изменений быстродействия диодных структур при различных вариантах РТО 245

4.3 Выводы 246

Глава 5. Экспериментально-технологическое оборудование РТО . 247

5.1 Линейный ускоритель электронов УЭЛВ-10-10-С-70-1 247

5.2 Линейный ускоритель протонов И-2 250

5.2.1 Основные параметры и схема ускорителя И-2 250

5.2.2 Технологическая линия протонной обработки на базе И-2 254

5.3 Линейный ускоритель ионов И-3 261

5.4 Перезарядный электростатический ускоритель ЭГП-15 . 265

5.5 Тандемный перезарядный ускоритель Tandetron 4130 271

5.5.1 Общая характеристика ускорителя 271

5.5.2 Высоковольтная система 274

5.5.3 Согласование энергии 274

5.5.4 Типы ионов . 275

5.5.5 Масс-анализатор высокого разрешения 276

5.5.6 Автоматизация управления 277

5.6 Разработка предложений по созданию технологического ускорителя 279

5.6.1 Требования к параметрам пучка ускорителя 279

5.6.2 Блок-схема ускорителя 282

5.6.3 Ионный источник 283

5.6.4 Ускоряющая система RFQ 284

5.6.5 Банчер 284

5.6.6 Резонаторы с трубками дрейфа 285

5.7 Мишенная камера . 286

5.8 Выводы по разделу 296 Заключение 297

Список литературы 300

Приложения 328

• Радиационное изменение характеристик приборов
• Переходной процесс при выключении
• Диффузионные структуры сварочных диодов
• Перезарядный электростатический ускоритель ЭГП-15

Введение к работе

Актуальность темы

Одним из важнейших направлений улучшения комплекса электрических параметров и повышения радиационной стойкости полупроводниковых приборов является радиационная технология, которая включает облучение (электронное, альфа, гамма, протонное, ионное и др.) приборных структур на пластинах и последующий стабилизирующий отжиг при температурах 200– 400^оС. Смещение атомов из узлов кристаллической решетки под воздействием облучения в сочетании с отжигом позволяет формировать термически стабильные центры рекомбинации (ЦР) в активных областях приборных структур, позволяющих в широком диапазоне регулировать значения электрофизических параметров полупроводникового материала и, соответственно, электрических параметров приборов. Наибольшее практическое применение нашло облучение электронами кремниевых биполярных и биполярно-полевых приборов для повышения быстродействия путем увеличения темпа рекомбинации неравновесных носителей заряда.

Основные отличительные черты и преимущества электронно-лучевой технологии модификации полупроводниковых приборов состоят в следующем: возможность обработки на воздухе, регулирование плотности потока электронов током пучка и расстоянием от выходного окна за счет рассеяния на воздухе, обеспечение большой площади обработки за счет работы в сканирующем режиме, широкие возможности по конструированию и изготовлению «подпучкового» оборудования, включая системы контроля пучка, держателей и систем подачи образцов, возможность обработки полупроводниковых пластин в несколько слоев за счет высокой проникающей способности ускоренных электронов, возможность разогрева образцов пучком при необходимости, компактность и относительно невысокая стоимость оборудования и увеличения стоимости обрабатываемых изделий при резком повышении качества. Основным ограничивающим фактором электронной обработки является однородное формирование ЦР по глубине структуры биполярного прибора, что приводит к нежелательному росту сопротивления в открытом состоянии.

Рекордные характеристики быстродействия диодов и других биполярных структур при требуемых значениях статических параметров и показателя мягкости переключения, что особенно важно для приборов силовой электроники при работе на индуктивную нагрузку, а также в ряде других применений, могут быть достигнуты только путем аксиального регулирования времени жизни неосновных носителей заряда по глубине структуры, которое может быть реализовано посредством обработки протонами или легкими ионами. Последовательное внедрение радиационно-термических обработок (РТО) на Российских предприятиях позволит улучшить качество продукции целого сегмента электронной промышленности, в ряде случаев превысить мировой уровень и осуществить реальное импортозамещение.

Цель работы – развитие научно-технических и основ совершенствования биполярных и биполярно-полевых кремниевых приборов, повышение их функциональных и эксплуатационных характеристик с применением радиационно-термических обработок на ускорителях заряженных частиц.

Для реализации цели были определены и решены следующие задачи:

– проанализировать физические процессы, происходящие в кремнии и кремниевых приборных структурах при воздействии различных видов проникающих излучений, приводящих к смещениям атомов решетки;

– проанализировать теоретические представления о рекомбинационных процессах в биполярных кремниевых структурах через различные ЦР и их влияние на статические и динамические параметры;

– подобрать характерные образцы биполярных транзисторных и диодных структур на пластинах, выпускаемых отечественными предприятиями для проведения экспериментальных исследований на ускорителях заряженных частиц;

– провести анализ структуры кристаллов биполярных структур и выявить локальные области для формирования ЦР, разработать адаптированные модели транзисторных структур и провести имитационное моделирование воздействия ускоренных ионов различных типов;

– проанализировать технические возможности существующего в России ускорительного оборудования, наиболее подходящего для радиационно-термической обработки биполярных структур того или иного типа;

– провести обработку образцов биполярных структур различных классов на ускорителях электронов и ионов с учетом проведенного моделирования;

– разработать режимы и провести серии термических стабилизирующих отжигов биполярных структур, подвергнутых обработке ускоренными электронами и ионами, с учетом базового технологического маршрута;

– произвести измерения основных электрических параметров биполярных структур, ответственных за их функциональные и эксплуатационные характеристики, проанализировать результаты измерений;

– выбрать оптимальные режимы РТО биполярных структур конкретного типа по результатам измерений электрических параметров;

– выявить особенности различных вариантов радиационно-термических обработок для определения вариантов наиболее перспективного использования на этапах технологического маршрута;

– разработать предложения по конструированию и изготовлению автоматизированной высокопроизводительной вакуумной камеры для обработки полупроводниковых структур на ускорителях ионов;

– разработать технические требования и рекомендации по созданию компактного технологического ускорителя протонов, ориентированного на решение задач полупроводниковой электроники.

Научная новизна полученных результатов заключается в том, что:

1. На основе имитационного моделирования и экспериментальных
результатов доказано, что имплантация ускоренных ионов бора или углерода
позволяет осуществлять локальное регулирование времени жизни неосновных
носителей заряда в активных областях кремниевых биполярных структур
различных конструктивно-технологических типов. При этом по сравнению с
имплантацией протонов и ионов гелия обеспечивается большая локальность
модифицируемого слоя структуры, термостабильность изменений физических
свойств, отсутствие легирования дополнительными примесями.

2. Показано, что имплантация ионов бора и углерода характеризуется
меньшим ионизационным структурным повреждением диоксида кремния в
структуре «диоксид кремния – кремний» при сопоставимых концентрациях
первичных вакансий в конце пробега имплантируемых ионов в сравнении с
ионами водорода и гелия, и может быть использована как средство повышения
быстродействия структур мощных полевых транзисторов.

3. Показано, что имплантация ионов бора и углерода может
использоваться для локального регулирования времени жизни кремниевых
биполярных структур до формирования слоев металлизации приборных
структур за счет большей термостабильности изменений физических свойств
материала.

4. Локальная имплантация ионов водорода, гелия, бора и углерода в
оптимальных режимах позволяет реализовать снижение времени переключения
коллекторного перехода биполярных транзисторов и фототранзисторов без
ухудшения усилительных и фотоэлектрических характеристик и не приводит к
нежелательному росту напряжения насыщения коллектор–эмиттер.

5. Показано, что повышенная термостабильность локально
модифицированных свойств биполярных структур после обработки ионами
бора или углерода может быть использована для реализации способа
локального термодиффузионного легирования примесями металлов диффузией
из напыленного слоя.

6. Получены оригинальные закономерности изменения основных
электрических параметров биполярных и биполярно-полевых приборов
различных классов при технологической радиационной обработке на
ускорителях электронов и ионов и последующем стабилизирующем отжиге.

1. Разработана и апробирована при разработке режимов радиационно-технологических процессов расчетно-экспериментальная методика оценки эквивалентного локального воздействия высокоэнергетичных ионов различной природы на кремниевые биполярные структуры, основанная на расчетной оценке эффектов смещения.

2. Предложен новый способ протонной обработки полупроводниковых структур, сочетающий преимущества обработки электронами и протонами, и позволяющий реализовать как локальное, так и равномерное формирование центров рекомбинации в активных областях биполярных структур.

Практическая ценность работы состоит в использовании результатов при производстве продукции ряда предприятий и в перспективных разработках:

1. Разработке режимов РТО, используемых при серийном изготовлении
импульсных быстродействующих диодов типа 2Д237 с низким значением
обратного тока (Акт АО «ГЗ «Пульсар», г. Москва).

2. Разработке режимов РТО, используемых при изготовлении
биполярных транзисторов 2Т9138А с повышенным быстродействием.
Результаты могут быть использованы для изготовления ультрабыстрых диодов
и биполярных транзисторов других типов (Акт АО «ФЗМТ», г. Фрязино).

3. Использовании режимов РТО при изготовлении кристаллов для
быстродействующих кремниевых npn- и pnp-транзисторов 2Т3117А/ПК,
2Т378Б-2/ПК и 2Т388АМ-2/ПК с улучшенными временными параметрами.
Разработанный метод планируется использовать в технологическом процессе
изготовления кристаллов для быстродействующих диодов 2Д706АС9/ПК,
2Д707АС9/ПК, 2Д803АС9/ПК, а также диодов новых типов с малыми
временами восстановления (Акт АО «Арсенал «КрЗПП», г. Краснознаменск).

4. Использовании результатов моделирования и РТО для разработки и внедрения в производство структур быстродействующих биполярных транзисторов с изолированным затвором и силовых диодов с быстрым восстановлением на напряжения 1200–3300 В. Перспективности предложенных вариантов РТО для улучшения импульсно-частотных характеристик мощных полевых транзисторов различных типов (Акт АО «Ангстрем»).

5. Разработке режимов РТО для совершенствования биполярных структур – фототранзисторов в составе оптопар серии 3ОТ126, 3ОТ131; стабилитронов 2С117; быстродействующих диодов (Акт АО «Оптрон», г. Москва).

6. Возможности применения полученных результатов теоретических и экспериментальных исследований при изготовлении силовых сварочных диодов с мягким восстановлением и повышенным быстродействием на базе выпускаемых диодов Д053-7100, Д063-11500, Д056-9500, Д066-12500. Отдельные наработки, полученные по применению ускоренных электронов, используются для прецизионного регулирования характеристик переключения и снижения разброса статических и динамических параметров силовых тиристоров различных типов (Акт ЗАО «Протон-Электротекс», г.Орел).

7. Использовании результатов исследований в лаборатории
радиационных технологий ИФХЭ РАН для радиационной обработки
производственных партий биполярных приборов ряда предприятий – АО
«ВЗПП-Микрон» г. Воронеж, ПАО «Электровыпрямитель» г. Саранск, ЗАО
«Протон-Электротекс» г. Орел и др. (Акт ИФХЭ РАН, г. Москва).

8. Использовании рекомендаций и предложений в разработке
многофункциональной установки BELA на базе ЭЦР источника и ускорителя
протонов. Установка предназначена для отработки технологических решений
по созданию компактных промышленных установок на базе линейных
ускорителей протонов, в частности, для нужд электронной промышленности в
части создания полупроводниковых приборов с улучшенными
характеристиками (Акт НИЦ «Курчатовский институт» - ИТЭФ).

Положения, выносимые на защиту

1. Результаты имитационного моделирования имплантации
высокоэнергетичных ионов водорода, гелия, бора или углерода в активные
области кремниевых диодных и транзисторных структур различных типов для
локальной модификации физических свойств с учетом конструктивно-
технологических особенностей.

2. Вывод о перспективности применения РТО на основе имплантации высокоэнергетичных ионов водорода, гелия, бора или углерода в базовую область встроенного паразитного диода и последующей стабилизирующей термообработки для повышения быстродействия структур мощных полевых транзисторов со сформированной затворной системой.

3. Оптимальные режимы вариантов РТО, обеспечивающие повышение импульсно-частотных параметров биполярных диодных, транзисторных и фототранзисторных структур различных типов.

4. Вывод об эффективности применения высокоэнергетичных ионов гелия, бора или углерода для локального регулирования характеристик быстродействия биполярных структур до формирования слоев контактной металлизации.

5. Вывод перспективности применения высокоэнергетичных ионов бора или углерода для реализации способа локального термодиффузионного легирования примесями металлов диффузией из напыленного слоя.

6. Способ повышения быстродействия силового сварочного диода.

7. Методика оценки эквивалентного локального воздействия высокоэнергетичных ионов различной природы на кремниевые биполярные структуры, основанная на расчетной оценке эффектов смещения.

8. Способ протонной обработки полупроводниковых структур, позволяющий реализовать в одном процессе как локальное, так и равномерное формирование центров рекомбинации в активных областях биполярных структур.

9. Рекомендации по созданию компактного ускорителя протонов в части
выбора оптимального набора дискретных энергий для технологической
обработки биполярных структур различных классов.

Достоверность результатов работы обеспечивается:

1) применением для экспериментальных исследований
высококачественных образцов полупроводниковых приборных структур,
изготовленных в производственных условиях на высокотехнологичном
оборудовании предприятий электронной промышленности;

2) применением высокоточного измерительного оборудования
предприятий электронной промышленности для измерения электрических
параметров и характеристик полупроводниковых структур;

3) проведением предварительных расчетных оценок режимов вариантов
радиационно-термических обработок на основе ионной обработки с
применением программы SRIM на оптимизированных моделях исследуемых
биполярных приборов (на основе информации от производителей);

4) применением уникального ускорительного оборудования (и
оборудования контроля дозиметрии пучка) ведущих Российских научных
организаций в области радиационных технологий и ускорительной техники:

– линейного ускорителя электронов «Электроника» ЭЛУ-6; – ускорителя тяжелых ионов HVE-350 (НИТУ «МИСиС»); – линейного ускорителя электронов УЭЛВ-10-10 (ИФХЭ РАН); – линейного ускорителя протонов «И-2» (ГНЦ РФ ИТЭФ); – линейного ускорителя ионов «И-3» (ГНЦ РФ ИТЭФ); – уникальной научной установки «Электростатический перезарядный генератор ЭГП-15» (АО «ГНЦ РФ ФЭИ»);

– тандемного ускорителя ионов «Tandetron» (АО «ГНЦ РФ ФЭИ»);

5) Сопоставлением полученных результатов с результатами аналогичных
научных работ и результатами измерений текущих партий полупроводниковых
приборов, изготовленных по обычной технологии.

Апробация результатов исследований.

Результаты работы были представлены на:

1. I, II, IV Всероссийских конференциях по материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния и приборных структур на их основе «Кремний–98», «Кремний–2000», «Кремний–2007»; МИСиС(ТУ), г.Москва, 1998, 2000, 2007г.

2. Научно-технической конференции «Материалы и изделия из них под воздействием различных видов энергий»; ВИМИ, г.Москва, 1999г.

3. II и III Всероссийских конференциях «Устройства и системы
энергетической электроники» (УСЭЭ-2000, УСЭЭ-2001); АЭН РФ, г.Москва,
2000, 2001г.

4. Российских научных конференциях «Радиационная стойкость электронных систем «Стойкость-98», «Стойкость-2000», «Стойкость-2002», «Стойкость-2007», «Стойкость-2010», «Стойкость-2016»; НИИП, г. Лыткарино, 1998, 2000, 2002, 2007, 2010, 2016г.

5. V Семинаре Азиатско-Тихоокеанской академии материалов «Материалы и процессы создания приборов силовой электроники»; МИСиС(ТУ), г.Москва, 2001г.

6. Конференции международной академии информатизации; ФГУП НПП
«Оптэкс», г.Москва, 2003г.

7. Международная н.-т. конференция «Моделирование электронных
приборов и техпроцессов, обеспечение качества, надежности и радиационной
стойкости приборов и аппаратуры»; МГАПИ, Севастополь, 2003г.

8. I и III Российской школе ученых и молодых специалистов по физике,
материаловедению и технологии получения кремния и приборных структур на
его основе «Кремний. Школа-99», «Кремний. Школа-2005»; МИСиС(ТУ),
Москва, 1999, 2005г.

9. III Международной конференции по физике кристаллов
«Кристаллофизика XXI века»; МИСиС(ТУ), г. Москва–Черноголовка, 2006г.

10. 39-м Международном научно-методическом семинаре
«Флуктуационные и деградационные процессы в полупроводниковых
приборах»; МЭИ (ТУ), Каф. полупроводниковой электроники, Москва, 2008 г.

11. VIII и X научно-технической конференции молодых специалистов «Твердотельная электроника. Сложные функциональные блоки РЭА» («Пульсар-2009»; ФГУП «НПП «Пульсар», г.Дубна, 2009, 2011г.

12. III и IV Международной научно-технической конференции «Микро-и нанотехнологии в электронике»; КБУ, г.Нальчик, 2010, 2011г.

13. I Международной научно-технической конференции имени Леонардо да Винчи; Российский дом науки и культуры, г.Берлин, 2013г.

14. International Symposium on Reliability of Optoelectronics for Systems (ISROS 2014) 16 - 20 June 2014 Toulouse, France.

15. XXV и XXVI Международных конференциях «Радиационная физика твёрдого тела»; ФГБНУ «НИИ ПМТ», г.Севастополь, 2015, 2016 г.

16. VI Всероссийской конференции (с приглашением специалистов стран СНГ) "Актуальные проблемы химии высоких энергий"; РХТУ, Москва, 2015 г.

17. 15th European Conference on Radiation and Its Effects on Components and Systems (RADECS 2015); Moscow, Russia, 15-17 September 2015.

18. 12-й Российском симпозиуме «Атомистическое моделирование,
теория и эксперимент»; г. Новый Афон, Абхазия, 2015г.

19. Семинарах-совещаниях АО «ГНЦ РФ ФЭИ», в т.ч.
«Импортозамещение в имитационных материаловедческих испытаниях»,
«Перспективы использования ускорителя Tandetron для научных,
технологических и медицинских целей», г.Обнинск, 2014-2016г.

20. II конференции "Плазменные, лазерные исследования и технологии", секция «Ускорители заряженных частиц»; НИЯУ «МИФИ», 2016 г.

21. International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects (EFRE 2016) 17th International Conference on Radiation Physics and Chemistry of Condensed Matter (17^th RPC); Section: Physical principles of radiation technologies; Tomsk 2016.

22. 12th International Scientific Workshop in Memory of Professor
V.P.Sarantsev «Problems of Colliders and Charged Particle Accelerators», 3-8
September 2017 Alushta, Crimea, Russia.

Результаты исследований апробированы на промышленных образцах кремниевых биполярных структур различных классов, в учебном процессе на кафедре ППЭ и ФПП НИТУ «МИСиС».

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы из 291 наименования, приложения. Объем составляет 342 страницы, содержит 166 рисунков, 44 таблицы.

Радиационное изменение характеристик приборов

Помимо механизмов передачи энергии, следует также учитывать и влияние временного фактора, поскольку первичные эффекты (электронно-дырочная пара или пара V-I) подвергаются различным последующим взаимодействиям. Во многих случаях изменение определенного параметра прибора, например обратного тока IR диода, может быть описано с помощью коэффициента повреждения или параметра KIR. Он определяется как изменение параметра с суммарной дозой (ионизация) или флюенса частиц (смещения). Как будет показано, часто существует хорошая корреляция между этими факторами и энергией, соответствующей ионизационным или неионизационным потерям энергии. Другими словами, они полезны в моделировании и прогнозировании изменений характеристик прибора/схемы в радиационной среде без детализации микроскопических дефектов, формирующихся при облучении.

Ионизация материала создает свободный заряд, который может перемещаться в материале путем дрейфа или диффузии. При наличии электрического поля электроны и дырки будут разделяться и дрейфовать к омическим контактам. В нейтральных областях без поля перенос носителей будет определяться термической диффузией. Конечным результатом является протекание тока в течение некоторого времени после облучения, которое обычно безопасно для работы прибора. Например, в твердотельном диодном детекторе ядерного излучения этот ток формирует полезный сигнал, используемый для спектроскопических целей.

Поскольку радиационная технология опирается на гораздо более стабильные эффекты смещения, то процессы ионизации здесь подробно не рассматриваются. В свою очередь повреждения решетки полупроводника могут оказать существенное влияние на его электрические свойства путем создания устойчивых радиационных дефектов с одним или несколькими уровнями в запрещенной зоне. Согласно работе [46] и как показано на рисунке 7 можно выделить следующие электрофизические эффекты:

– генерация e-h пар радиационно-индуцированными дефектами;

– рекомбинация e-h пар на радиационно-индуцированных дефектах;

– захват носителей радиационными дефектами;

– компенсация доноров и акцепторов;

– туннелирование носителей.

Следовательно, важные параметры материала, такие как подвижность и концентрация свободных носителей, удельное электросопротивление и генерационное (g) и рекомбинационное (r) время жизни будут зависеть от эффектов смещения. После облучения в основном наблюдается увеличение удельного сопротивления, что является следствием комбинации двух эффектов [47–52]. Во-первых, удаление или уменьшение свободных носителей происходит за счет прямого удаления легирующих примесей из активного (замещающего) положения в узлах решетки путем взаимодействия с созданными вакансиями и междоузельными атомами, что приводит к образованию устойчивых точечных дефектных комплексов или переходу легирующих примесей в «нейтральное» (т.е. междоузельное) положение в решетке. Хорошо известными примерами для кремния являются создание пары вакансия-донор V группы (E-центры) или формирование междоузельного бора (Bi). Кроме того, наличие радиационно-индуцированных глубоких уровней изменяет баланс заряда в материале и (через статистику Ферми–Дирака) положение уровня Ферми, которое влияет на плотность свободных носителей заряда. Во многих случаях заряд мелких доноров компенсируется уровнями радиационных центров, что приводит к снижению концентрации (плотности) свободных носителей и увеличению . Это проиллюстрировано на рисунке 8 для кремния n-типа, облученного протонами с высокой энергией, где для каждой энергии пик удельного сопротивления соответствует пику повреждения решетки [52].

В экстремальных случаях, например, в сильно облученных высокоомных кремниевых детекторах излучений [11, 53] происходит инверсия типа проводимости, что вредно для их работы. Аналогичные эффекты удаления носителей и инверсии типа проводимости наблюдаются в сильно облученных солнечных элементах на основе кремния p-типа [50, 51]. С другой стороны, протонное облучение кремния [52–54] высоким флюенсом приводит к формированию очень высокоомного материала. В случае кремния могут быть созданы слои МОм-ного уровня сопротивления, которые представляют потенциальный интерес в качестве альтернативы для кремния-на-изоляторе (SOI) или в качестве исходного материала для микроволновых применений. В последнем случае ожидается явное улучшение высокочастотной характеристики за счет уменьшения потерь линии передачи и индуктивных потерь или подавления перекрестной связи [54].

Также радиационное удаление носителей совместно с измерениями профилирования распределенного сопротивления (SRP) может быть использовано для изучения миграции радиационных или индуцированных ионным пучком точечных дефектов [11, 55]. Таким образом, можно получить некоторое представление о диффузии V и I при комнатной температуре, что имеет большое значение для моделирования процессов образования радиационных дефектов, например, при ионной имплантации. Нижний предел коэффициента диффузии междоузельного Si (10–10 см2/с), полученный по этой методике, намного выше, чем предсказанный теорией, и указывает на возникновение ионизационно-ускоренной диффузии при 300 К. Константа скорости удаления носителей (Kn) в кремнии n- и p-типа систематически была изучена Пизом и др. [56]. Константа Kn определяется следующим образом n(F) = n(0) - KnF (6) где n(Ф) и n(0) – концентрация свободных носителей после и до облучения флюенсом Ф, соответственно.

В первом приближении Kn оказывается постоянной для малых Ф, и n линейно уменьшается с флюенсом. Кроме того, она примерно в два раза больше для кремния p-типа (чем для n-типа) при эквивалентном облучении нейтронами с энергией 1 МэВ или высокоэнергетичными протонами [56]. Значения составляют 2–3 см–1 (n-тип) и 4–5 см–1 (р-тип). Кроме того, было обнаружено, что при обратном смещении перехода скорость удаления носителей для кремния p-типа при воздействии нейтронов и протонов становится меньше, в то время как в материале n-типа это влияние мало. Экспериментально определенное отношение скоростей удаления носителей протонами (KР) к скорости удаления эквивалентными 1 МэВ нейтронами (KN) в зависимости от энергии протонов довольно точно соответствует рассчитанному значению NIEL как показано на рисунке 9 [56].

Следует отметить, что при определенных условиях концентрация мелких уровней увеличивается. Например, в случае высокоэнергетической имплантации протонов совместно с термическим отжигом в диапазоне 300–400С [48, 47]. В области пика повреждения дополнительно образуются водородосодержащие мелкие доноры, увеличивающие концентрацию легирования кремния n-типа.

Переходной процесс при выключении

Мощный БТ работает при прямом смещении перехода база-эмиттер от внешней схемы возбуждения, показанной на рисунке 71.

При этом в начале переходного процесса выключения ключ S1 замкнут и ключ S2 разомкнут. Выключение инициируется размыканием ключа S1 и замыканием ключа S2. Сначала начинает течь обратный ток базы, ограниченный сопротивлением базы RB2. Если время переключения ключей S1 и S2 мало, то обратный ток базы равен

Во время процесса выключения ток коллектора сжимается к центру пальца эмиттера, потому что обратный ток базы сначала извлекает сохраненный заряд, расположенный ближе всего к контакту базового вывода. Следовательно, плотность тока в центре эмиттера возрастает со временем в условиях индуктивной нагрузки, что приводит к высокому локальному рассеянию мощности в транзисторе. Процесс выключения происходит путем удаления заряда накопленного в области Р-базы, а также части заряда, накопленного в дрейфовой области коллектора. Переход база-коллектор не может поддерживать высокое напряжение до тех пор, пока заряд у перехода коллектор-база не исчезнет, что позволит ОПЗ расшириться. Задержка между возрастанием напряжения на коллекторе БТ и запуском обратного управляющего тока базы считается временем накопления. Мощные БТ имеют большие значения времени рассасывания, что препятствует их способности работать на более высоких частотах. Оттеснение тока эмиттера во включенном состоянии в начале переходного процесса выключения ограничивает большую часть накопленного заряда вблизи края эмиттера, ближайшего к базовому контакту.

В начальном состоянии избыточный заряд электронов присутствует в области Р-базы из-за инжекции электронов из эмиттера. Кроме того, избыточный заряд электронов и дырок присутствует в дрейфовой области N–-коллектора из-за инжекции дырок в область дрейфа через прямо смещенный переход база-коллектор. На рисунке 72 показан профиль концентрации электронов в области Р-базы как прямая линия, так как рекомбинация в базе не учитывается, а также профиль концентрации дырок в дрейфовой области N–-коллектора. Профиль концентрации дырок является линейным и проходит частично через область дрейфа на глубину WNM. Из-за условий высокого уровня инжекции в области N-дрейфа, профиль концентрации электронов совпадает с профилем концентрации электронов для дырок на участке с модуляцией проводимости.

В мощных БТ из-за высокой концентрации легирования в области P-базы по сравнению с дрейфовой областью N–-коллектора концентрация инжектированных электронов в области P-базы на переходе «база-коллектор» во включенном состоянии намного меньше, чем на переходе «база-эмиттер», как показано на рисунке 72. Тогда наколенный заряд электронов в области Р-базы (заштрихованная площадь в области Р-базы) определяется формулой

Если область Р-базы работает при низком уровне инжекции, то начальная плотность тока коллектора в открытом состоянии определяется по формуле

Накопленный заряд в дрейфовой области коллектора также частично удаляется обратным током базы. Постепенное удаление дырок из дрейфовой области N-коллектора с помощью обратного тока базы показано пунктирными линиями на рисунке 72. Наклон профилей носителей, обозначенных пунктирными линиями, остается постоянным в течение этого процесса из-за постоянства обратного тока базы. Наклон концентрации носителей, указанный сплошной линией, также остается постоянным, так как при работе на индуктивную нагрузку ток коллектора является постоянным. В итоге концентрация дырок на переходе «база-коллектор» снижается до нуля, позволяя переходу начать поддерживать высокое коллекторное напряжение. Накопленный заряд в дрейфовой области N-коллектора (заштрихованная область в дрейфовой области N-коллектора на чертеже) удаляемый обратным током базы тогда

Заметим, что это уравнение учитывает условия ВУИ в пределах дрейфовой N–-области. Эта концентрация также определяется начальным профилем дырок p(WS ) = pBC WNM -WS . (83)

Начальная плотность тока коллектора в открытом состоянии также связана с начальным профилем концентрации дырок в дрейфовой N–-области

Накопленный заряд, определяемый суммой QSB и QSC, удаляется обратным током базы (JBR) в течение временного интервала рассасывания (tS) JBRtS =QSB +QSC . (89)

Из этого выражения можно сделать вывод, что время рассасывания может быть уменьшено путем увеличения обратного управляющего тока базы и применения большей и более сложной и дорогой схемы управления.

Для случая мощного БТ с шириной базы 10 мкм и модулированной дрейфовой областью шириной 40 мкм в начальном включенном состоянии время рассасывания, получаемое при использовании этого уравнения, составляет 230 нс, если плотность тока во включенном состоянии 17,5 Асм"2 и обратного управляющего тока базы 5 Асм"2. Эти условия работы соответствуют концентрации инжектированных электронов пЕВ=ЗхЮ15 см"3 на переходе «эмиттер-база», концентрации инжектированных дырок рВс=6хЮ15 см"3 на переходе «база-коллектор», заряда рассасывания QSB=2,5xlO"7 Кл/см2 в Р-области базы и накопленный заряд Qsc=l,12xl0 Кл/см2 в дрейфовой -области. Эти значения согласуются с используемым для анализа предположением низкого уровня инжекции в области Р-базы и ВУИ в дрейфовой -области [233].

Диффузионные структуры сварочных диодов

Резистивная сварка используется главным образом для соединения листов металла. В сравнении с другими методами сварки, резистивная сварка является очень эффективной, поскольку практически не привносит загрязнений, а деформация заготовок (образцов) носит весьма ограниченный характер. Данный вид сварки является высокопроизводительным, легко может быть автоматизирован и не требует присадочных материалов. Он широко используется в автомобильной промышленности, так как большинство автомобилей имеют несколько тысяч точечных сварных соединений, выполняемых промышленными роботами. Каждому сварочному циклу соответствует цикл нагрузки на диодах, ресурс которых, как правило, превышает более 10 миллионов циклов. Это означает, что способность диода выдерживать циклическую нагрузку является основной при выборе конкретного компонента, и эта способность определяется колебанием температуры, которое диод испытывает в течение цикла. Для обеспечения минимального колебания температуры в ходе цикла, конструкция диода должна обеспечивать минимально возможные потери электрической мощности и тепловое сопротивление. В автомобильной промышленности трансформатор, выпрямитель и сварочные клещи, как правило, размещают на роботизированной руке. Следовательно, их размер и вес имеют огромное значение. Кроме того, увеличение частоты позволяет уменьшить размер трансформатора при одинаковой мощности и увеличить долю полезного использование электроэнергии за счет снижения потерь мощности [262].

В процессе изготовления, после формирования диодных структур, кремниевые пластины спекают с молибденовыми дисками. Низкий класс напряжения сварочных диодов позволяет использовать тонкую кремниевую пластину, что, в свою очередь, благоприятно сказывается на уменьшении прямых потерь напряжения.

В корпусных WD диодах с корпусом из керамики (рисунок 109), чип (выпрямительный элемент) помещается внутрь герметичного корпуса между двумя медными электродами. Так как требования по воздушному пробою и утечки по поверхности корпуса невысокие, то в сварочных диодах используются корпуса с низким тепловым сопротивлением. Дополнительным преимуществом малой и легковесной конструкции сварочного диода является удобство монтажа на роботизированной руке в автомобильной промышленности.

Бескорпусные HLWD диоды имеют меньшее число слоев, что улучшает их тепловые характеристики. В HLWD диодах, со стороны катода кремниевые структуры (чипы) покрыты медным электродом, который служит механическим буфером, со стороны анода крепится прочный молибденовый диск, который, по сути, представляет собой корпус (держатель) HLWD диода (рис. 2 справа). HLWD диоды более восприимчивы к внешним воздействиям, однако способны работать при более высоких плотностях тока, имеют меньшую массу и геометрические размеры в сравнении с WD.

Обычно сварочные диоды могут функционировать на частотах до 7 кГц. Однако их оптимальный и надежный частотный диапазон не превышает 2 кГц. В последние года разработчиками сварочного оборудования были сформулированы требования по повышению рабочей частоты до 10 кГц, в связи с чем, появилась новая группа высокочастотных выпрямительных сварочных диодов с силовыми характеристиками, наряду с улучшенными характеристиками обратного восстановления. Высокочастотные диоды также производятся в корпусном и бескорпусном вариантах.

Способность работать в условиях циклической нагрузки сварочных диодов имеет решающее значение при выборе компонентов для конкретного варианта применения. Каждый цикл сварки представляет собой цикл нагрузки для сварочного диода. Способность работать в условиях циклической нагрузки определяется колебанием температуры, которое испытывает диод в течение цикла. Для обеспечения наименьшего колебания температуры во время цикла сварки, диоды должны иметь наименьшие возможные потери мощности и тепловое сопротивление.

Сварочные диоды высокочастотный группы могут быть эффективно использованы на частотах до 10 кГц, например при сварке алюминия. Зависимость среднего прямого тока IFAV от частоты f для обычных и высокочастотных диодов приведена на рисунке 7. Видно, что для стандартных диодов IFAV начинает спадать с частоты около 2 кГц, и, следовательно, потери мощности обратного восстановления возрастают. Более высокочастотные диоды с гарантированно более низким зарядом обратного восстановления Qrr и малым временем жизни неосновных носителей заряда, полученных с помощью технологии электронного облучения, проявляют меньшие потери обратного восстановления при тех же частотах.

Современное электрооборудование резистивной сварки включает программируемый таймер сварки с инвертором (ПСИ) и трансформаторно-выпрямительный блок для ПСИ-типов (ТВП), содержащий трансформатор и выпрямительные сварочные диоды. Обобщенная и детализированная блок-схема системы на основе преобразователя частоты (инвертора) приведена на рисунках 111 и 112.

В этой схеме преобразователь частоты, интегрированный в ПСИ, управляет сварочным трансформатором посредством биполярного прямоугольного напряжения с частотой в диапазоне 1…10 кГц. В высокочастотных схемах используется выпрямитель на IGBT-транзисторах. Вторичное преобразование (выпрямление) сварочного тока выполняется в ТВБ. Результирующую теплоту (тепловыделение) во вторичном контуре (процент тока, идущий на нагрев) регулируют заданием ширины импульса. Временные диаграммы взаимосвязи длительности импульса первичного напряжения и вторичного тока при сварке приведены на рисунке 113.

Анализ параметров сварочных машин был проведен для трех основных вариантов с различными рабочими частотами (сетевая частота – 50 Гц, средняя – 1 кГц и высокая – 10 кГц). Внешний вид блоков управления сварочных машин показан на рисунках 114–116. Сравнительный анализ параметров сварочных машин разных типов и высокочастотная схема приведена в Таблице 28.

Перезарядный электростатический ускоритель ЭГП-15

Перезарядный электростатический ускоритель ЭГП-15 АО «ГНЦ РФ-ФЭИ» является уникальной установкой, на которой возможно проведение комплексных исследований. Ускоритель ЭГП-15 предназначен для получения ионных пучков широкого спектра масс (от протонов до многозарядных ионов циркония включительно) с энергиями до 15 МэВ (протоны) и до 60 МэВ (тяжелые ионы). Интенсивность ускоренных пучков изменяется в диапазоне 0,05–5 мкА в зависимости от сорта ускоряемых ионов [266, 267]. Главными преимуществами ускорителя ЭГП-15 являются:

1) высокая энергетическая однородность ускоренных ионов (до 0,05%);

2) возможность получения непрерывных и импульсных пучков ионов;

3) возможность плавного регулирования энергии и интенсивности;

4) широкий спектр масс ускоряемых ионов (от протонов до ионов циркония включительно; существуют технические предпосылки для ускорения более тяжелых ионов);

5) возможность быстрой смены сорта ускоряемых ионов.

Пучки ускоренных ионов ЭГП-15 могут выводиться в 4 экспериментальных канала, оборудованных для проведения физических измерений и выполнения работ в области ионно-пучковых технологий. Зал ускорителя и мишенные камеры имеют необходимые уровни радиационной защиты. Ускоритель ЭГП-15 является единственным в России и странах бывшего СССР ускорителем прямого действия с потенциалом высоковольтного электрода до 7,5 МВ и возможностью ускорения ионов самого широкого спектра масс. Аналогичные ускорители в этих странах работают при напряжениях не выше 3–5 МВ с весьма ограниченным набором ускоряемых ионов. Ускоритель ЭГП-15 включен в перечень уникальных научных установок Российской Федерации. Схема ускорителя приведена на рисунке 143, различные узлы установки приведены на рисунках 144–148.

Спектр ионов, который может быть получен на ускорителе ЭГП-15 с интенсивностями (током пучка) от 10 нА до 1 мкА и более с энергией от 3 до 60 МэВ приведен в таблице 41.

В диссертационной работе ускоритель использовался для пробных экспериментов по протонной обработке отдельных образцов диодных структур в качестве предварительных исследований. Впоследствии обработка проводилась на ускорителе Tandetron, который рассмотрен далее.