Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Физические основы радиационной физики полупроводников 8
1.1 Физические процессы, возникающие в кремнии при радиационном технологическом процессе с применением «быстрых» электронов 8
1.2 Механизм образования и физическая природа «глубоких» радиационных центров в кремнии 14
1.3 Кинетика отжига радиационных центров 17
1.4 Поверхностные радиационные эффекты 21
1.5 Выводы к главе 1 25
ГЛАВА 2. Характеристика исследуемых силовых кремниевых диодных структур. Оборудование и методика экспериментальных исследований 27
2.1 Методика радиационного технологического процесса 27
2.2 Обоснование выбора объектов исследования 30
2.2.1 Конструктивно-технологические особенности и характеристики объектов исследования 30
2.2.2 Разработка технологического маршрута изготовления FRED диодов с применением РТП 36
2.3 Оборудование радиационной обработки «быстрыми» электронами - Линейный ускоритель «Электроника ЭЛУ - 6» 38
2.4 Методика и оборудование для измерения релаксационной спектроскопии глубоких уровней в полупроводниковых структурах 43
2.4.1 Методика релаксационной спектроскопии глубоких уровней (РСГУ) 43
2.4.2 Измеритель релаксации емкости 45
2.4.3 Методика расчета параметров глубоких уровней из спектра РСГУ 48
2.5 Методика и оборудование для измерения статических и динамических параметров диодных структур 49
2.5.1 Измеритель характеристик полупроводниковых приборов Л2-56 49
2.5.2 Прибор для измерения времени восстановления обратного сопротивления времени на основе цифрового осциллографа 51
2.5.3 Измеритель емкости диодных структур ИЕ - 95 54
2.6 Выводы к главе 2 55
ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования статических идинамических параметров силовых кремниевых диодных структур с применением радиационного технологического процесса 56
3.1 Спектроскопия «глубоких» уровней методом РСГУ 56
3.2 Влияние режимов операций РТП на статические параметры 62
3.3 Влияние режимов операций РТП на динамические параметры 71
3.4 Выводы к главе 3 75
ГЛАВА 4. Влияние радиационного технологического процесса на статические и динамические параметры силовых кремниевых диодных структур 77
4.1 Расчет динамики изменения статической и динамической мощностей при облучении «быстрыми» электронами 77
4.2 Влияние РТП на вольт - амперные характеристики силовых кремниевых диодных структур 81
4.3 Влияние облучения «быстрыми» электронами на концентрацию носителей заряда и распределение примеси в активных областях диодных структур 85
4.4 Положение уровня Ферми, в кремнии облученного интегральным потоком «быстрых» электронов 99
4.5 Влияние облучения «быстрыми» электронами на удельное электросопротивление силовых кремниевых диодных структур 101
4.6 Моделирование работы силового диода 105
4.7 Выводы к главе 4 113
Заключение 115
Литература 118
Приложение А. 124
- Механизм образования и физическая природа «глубоких» радиационных центров в кремнии
- Конструктивно-технологические особенности и характеристики объектов исследования
- Влияние режимов операций РТП на статические параметры
- Влияние РТП на вольт - амперные характеристики силовых кремниевых диодных структур
Введение к работе
Актуальность темы
Силовая микроэлектроника находит все более широкое практическое применение В современной российской промышленности существует ряд отраслей, которые составляют серьезную конкуренцию иностранным производителям Развитие отечественной силовой микроэлектроники необходимо для существования таких стратегически важных направлений, как атомная промышленность, космическая, оборонная, авиационная и многие другие Изделия силовой микроэлектроники составляют основу практически всех энергосберегающих технологий, отвечая высоким требованиям, таким как минимальные потери мощности, минимальные массово-габаритные характеристики, быстродействие, надежность и низкая стоимость Силовая микроэлектроника - одно из прогрессивных и быстро развивающихся научно-технических направлений
В настоящее время в эксплуатации находится большое количество самых разнообразных видов и типов силовых полупроводниковых приборов (СПП) При этом каждый тип СПП характеризуется целым рядом эксплутационных характеристик, которые зависят от электрофизических параметров Самыми распространенными среди СПП являются диоды, применяемые в устройствах преобразования электроэнергии, системах питания и управления технологическими процессами Основой конструкции большинства типов современных СПП диодных структур является монокристалл кремния (Si) в виде плоской пластины
Силовые кремниевые диоды, изготовленные по стандартной (маршрутной) технологии, не всегда удовлетворяют постоянно возрастающим техническим требованиям Они обладают недостаточно высоким быстродействием, их выходные параметры зависят от большого количества технологических факторов, чем Объясняется большой разброс значений эксплутационных параметров готовых изделий, что ограничивает надежность и область применения силовых кремниевых диодов Увеличение быстродействия, снижение динамических потерь мощности является основной задачей силовой микроэлектроники Одним из методов решения данных проблем является применение радиационного технологического процесса (РТП), а именно электронного облучения Стандартный метод РТП включает в себя две основные стадии радиационное воздействие и последующий стабилизирующий отжиг
Широкое использование в современной микроэлектронике РТП обусловлено высокой эффективностью комплексного управления основными электрофизическими и эксплуатационными параметрами полупроводниковых приборов При этом удается повысить
быстродействие, исправить параметрический брак и повысить выход годных приборов Однако применение РТП одновременно с повышением быстродействия часто приводит к увеличению прямого падения напряжения, что повышает статические потери мощности, а следовательно обеспечивает и рост суммарных потерь мощности Поэтому необходимо изучение особенностей влияния проникающей радиации на электрофизические (статические и динамические) параметры и совершенствование метода РТП, для более эффективного управления основными статическими, динамическими и эксплуатационными параметрами силовых кремниевых приборов не только в процессе изготовления, но и в условиях, когда традиционные технологии практически неприемлемы (например, после завершения технологического цикла изготовления)
Цель диссеріационной работы
Разработать условия и режимы проведения операций РТП, исключающие последующий стабилизирующий отжиг, и его интеграции в основной технологический процесс изготовления силовых кремниевых приборов с улучшенньм комплексом статических и динамических параметров
Для достижения поставленной цели в работе необходимо было решить следующие задачи
исследовать влияние температуры в процессе облучения «быстрыми» электронами на статические и динамические параметры силовых кремниевых диодов,
исследовать кинетику накопления и отжига «глубоких» радиационных центров в активных областях силовых кремниевых диодных структур в процессе проведения РТП с применением «быстрых» электронов,
разработать режимы проведения операций РТП и способы совмещения стабилизирующего отжига с процессом облучения «быстрыми» электронами, для изготовления силовых кремниевых диодных структур с наилучшим сочетанием статических и динамических параметров,
установить влияние воздействия режимов проведения РТП в широких диапазонах интегральных потоков «быстрых» электронов на статические и динамические параметры силовых кремниевых диодных структур
Новизна и научная ценность
Установлено влияние температуры в процессе облучения «быстрыми» электронами с энергией 5 МэВ на статические и динамические параметры силовых кремниевых диодов Определено, что облучение с плотностью потока «быстрых» электронов в диапазоне
1,7 10й - 5,5 10 см" с" приводит к разогреву структур до температур (150 - 650) С и предложены способы совмещения стабилизирующего отжига с процессом облучения «быстрыми» электронами, что позволило достичь оптимального сочетания статических и динамических параметров силовых кремниевых диодов 2Д237, 2Д2992 и FRED (fast recovery epitaxial diode — эпитаксиально-планарный диод с быстрым восстановлением) по сравнению с приборами, изготовленными по стандартной (маршрутной) технологии
Показано, что разработанные режимы РТП приводят к снижению основного статического параметра - прямого падения напряжения Впервые установлено, что уменьшение прямого падения напряжения происходит за счет падения напряжения в активной базе приборов вследствие образования при облучении «глубоких» радиационных центров (А, Е и дивакансии), приводящих к снижению удельного сопротивления базы диодных структур
Анализ экспериментальных данных показал, что в интервале интегральных потоков (2-8) 1016см"2при температуре 450 С с плотностью потока электронов (Фе< 2,3 1013 см"2 с-1) вклад динамической и статической мощностей в значение суммарной мощности минимален
Практическая ценность работы
Полученные в диссертационной работе результаты использованы в ЗАО НПК «Далеке» и при разработке методического обеспечения радиационных испытаний силовых полупроводниковых приборов в ФГУП «НИИП»
Разработанные режимы РТП позволили исправить параметрический брак и восстановить работоспособность диодов 2Д237 за счет снижения времени восстановления обратного сопротивления в 800 раз
Установлено, что применение РТП в диапазоне интегральных потоков «быстрых» электронов Фс = 1 1015 - 2,6 1017 см"2 с энергией 5 МэВ приводит к снижению суммарных потерь мощности на (30 - 50) % за счет снизившихся динамических потерь мощности, что обеспечивает более безопасный тепловой режим и эксплуатационную надежность приборов в различных условиях работы
Внедрение разработанных режимов проведения радиационного технологического процесса в маршрутную технологию FRED - диодов позволило получить оптимальное сочетание электрофизических параметров
снизить прямое падение напряжения на 30 % по сравнению с нормами ТУ и тем самым уменьшить статические потери мощности Данный эффект является новым для этого класса приборов,
увеличить напряжение пробоя на 25 %,
- повысить быстродействие диодов за счет уменьшения времени восстановления обратного сопротивления в 10 раз В предельном случае время восстановления обратного сопротивления диодных структур снижается до субнаносекундного диапазона, сохраняя при этом значения прямого падения напряжения в рамках норм ТУ около 1,5 В
Использование результатов проведенных исследований по оптимизации режимов операций РТП позволяет достичь наилучшего сочетания комплекса статических и динамических параметров силовых кремниевых приборов, что дает значительный экономический эффект и расширяет эксплуатационные возможности приборов
Основные положения, выносимые на защиту
Экспериментальные результаты по влиянию облучения «быстрыми» электронами в диапазоне интегральных потоков Фе = 1 1015 - 2,6 1017 см"2 с энергией 5 МэВ при температуре Т = (150 - 650) С и плотностях потока электронов <р = 1,7 10й - 5,5 1013 см-2 с"1 на статические и динамические параметры силовых кремниевых диодных структур
Разработанные режимы проведения операций РТП и способ совмещения стабилизирующего отжига с процессом облучения
Результаты исследования релаксационной спектроскопии глубоких уровней (РСГУ) при операции облучения «быстрыми» электронами, кинетики накопления и отжига «глубоких» радиационных центров
Апробация работы
Основные результаты работы доложены на
третьей Российской школе ученых и молодых специалистов по физике, материаловедению и технологии получения кремниевых приборных структур на его основе «Кремний Школа - 2005» Москва, МИСиС 2005,
третьей Международной конференции по физике кристаллов «Кристаллофизика XXI века» Москва - Черноголовка, 2006,
четвертой Российской конференции с международным участием по физике, материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния и приборных структур на их основе «Кремний -2007» Москва, МИСиС 2007
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы Объем диссертации составляет 132 страницы, содержит 34 рисунка, 25 таблиц и список литературы из 89 наименований
Механизм образования и физическая природа «глубоких» радиационных центров в кремнии
Облучение полупроводников «быстрыми» частицами приводит к образованию всевозможных радиационных центров (дефектов). Современная модель образования устойчивых радиационных центров (РЦ) заключается в том, что термостабильные в широком диапазоне температур РЦ, вносящие глубокие энергетические уровни в запрещенную зону полупроводника, представляют собой не точечные первичные нарушения, а их ассоциации (комплексы) между собой и с атомами остаточных и легирующих химических примесей [20,25]. Эксперименты по облучению кремния при низких (80 К) температурах показали, что в результате взаимодействия вакансий, междоузельных атомов друг с другом и с химическими примесями при сильной конкуренции по захвату первичных точечных дефектов различными несовершенствами решетки происходит образование сложных устойчивых РЦ. Возможность образования таких комплексов обуславливается большой подвижностью компонент пар Френкеля, наличием барьера для аннигиляции вакансий и междоузельных атомов [25]. В условиях облучения полупроводников при комнатной температуре процесс образования комплексов идет непосредственно при облучении. Увеличение температуры при облучении способствует увеличению числа более стабильных комплексов. Кратко проанализируем основные вида РЦ, образующихся в кремнии при облучении быстрыми электронами.
В кремнии, полученном вытягиванием из расплава и содержащим повышенную концентрацию кислорода (1017-1018 см 3) доминирующим дефектом является комплекс вакансия -атом кислорода (А-центр). Первоначально А-центр был обнаружен по измерению температурных зависимостей концентрации носителей заряда. А-центр имеет акцепторный характер (электронная ловуїнка) и занимает энергетический уровень Ее - 0,17 эВ. Детальный анализ характеристик этого дефекта был проведен при исследовании спектров ЭПР и инфракрасного поглощения в кремнии, облученном электронами. Возникающие при облучении одиночные вакансии диффундируют по кристаллу и захватываются атомами растворенного кислорода, т.е. А-центр является вторичным дефектом (вакансия + междоузельный атом кислорода). При этом происходит перераспределение разорванных связей вакансии, две из четырех связываются атомом кислорода.
А-центр может трансформироваться в центр с более высоким содержанием кислорода. В этом случае образуются центры вакансия-два, три и более атомов кислорода. Данные центры, отличающиеся большой термостабильностью, имеют донорный характер и вносят следующие энергетические уровни в запрещенную зону: Ev + 0,15 эВ, Ev + 0,26 эВ, Ev + 0,33 эВ, Ev + 0,48 эВ.
В кремнии, легированном фосфором обнаружено возникновение комплексов вакансия-атом фосфора (Е-центр). Несколько позднее РЦ, подобные комплексу вакансия-атом фосфора, были найдены в кристаллах, легированных мышьяком и сурьмой. Характерным для данных центров является то, что они наблюдаются в нейтральном зарядовом состоянии при положении уровня Ферми ниже Ее - 0,4 эВ. Энергетическое положение Е-центров изучали различными методами. Некоторое различие (в пределах 10 %) наблюдалось при исследовании глубины залегания дефектов в кристаллах, легированных фосфором, мышьяком или сурьмой, путем измерения температурной зависимости концентрации носителей. С увеличением ковалентного радиуса примеси возрастает термостабильность Е-центра, а его уровень становится ближе к дну зоны проводимости: Ее - 0,39 эВ (V-Sb), Ее - 0,42 эВ (V-As), Ее - 0,44 эВ (V-P) [25 - 33]. В кремнии п-типа данный центр вводится с большей эффективностью в кристалл с меньшим содержанием кислорода (при равном удельном сопротивлении). Это связано с тем, что возникающие при облучении вакансии более легко взаимодействуют с атомами кислорода, образуя устойчивые ассоциации.
В чистом кремнии преобладают дивакансий (J-центры). Сравнительное исследование эффективности введения дивакансий и вакансий показало, что при увеличении энергии бомбардирующих электронов с 1,5 до 4,5 МэВ. Кроме того наблюдалась корреляция между направлением облучения и осью образования дивакансий. В результате был сделан вывод о том, что дивакансия может образовываться как первичный дефект, если налетающей частицей передается энергия, достаточная для смещения двух соседних атомов кремния. Пороговая энергия образования дивакансий приблизительно вдвое превышает значение пороговой энергии образования вакансии. При энергии электронов 1,5 МэВ скорость образования дивакансий составляет 5 % скорости образования вакансий. Измерения проводились при температуре облучения образцов 20 К. При последующем нагреве кристаллов спектр изолированных вакансий исчезал и одновременно в кристалле с пониженной концентрацией кислорода наблюдался рост числа дивакансий. В образцах, выращенных в кварцевых тиглях, увеличения концентрации дивакансий не наблюдалось, поскольку атомы кислорода являются эффективными центрами захвата для вакансий. Рост числа дивакансий в области отжига вакансий и зависимость этого процесса от концентрации кислорода находится в соответствии с предположением об образовании дивакансий путем объединения двух изолированных вакансий. Дивакансия может существовать в четырех зарядовых состояниях (W4", W, W", W2"). Исследования зависимости спектров ЭПР от положения уровня Ферми позволили сделать вывод о том, что дивакансия в кремнии вносит три энергетических уровня: VV+ (Ev + 0,25 эВ), VV (Ее - 0,40 эВ), VV2 (Ее - 0,21 эВ). Кроме дивакансий при облучении могут юзникать многовакансионные комплексы, состоящие из трех, четырех и пяти вакансий. Эффективность введения этих центров не зависит от содержания примесей в кристалле [23, 29,30 - 35].
Дополнительно следует указать, что атомы остаточного кислорода принимают активное участие в образовании многозарядовых донорных радиационных центров дивакансия-кислород, дающих уровни Ev + 0,35 эВ в p-Si и Ее - 0,21 эВ в n-Si. Возможным механизмом образования таких комплексов может быть последовательный захват кислородом создаваемых облучением подвижных вакансий.
Примеси замещения элементов III группы (бора, алюминия, галлия) являются центрами захвата вакансий; они образуют аналоги Е-центров в облученном зонном кремнии р-типа: донорные радиационные центры с уровнем Ev + 0,21 эВ (2V + В) и акцепторные радиационные центры с уровнем Ev + 0,45 эВ (V + В) [35]. Наличие кислорода или других конкурирующих центров захвата уменьшает эффективность введения данных центров.
Конструктивно-технологические особенности и характеристики объектов исследования
Механические напряжения приводят к образованию в БіОг напряженных связей. Атомы Si и О в таких пленках находятся в локальном, а не в абсолютном минимуме свободной энергии. При захвате напряженной связью дырки равновесие нарушается и атом кислорода смещается в абсолютный минимум энергии [41]. В результате образуется дефект псевдовакансии. Разрыв напряженной связи приводит к образованию дефекта типа Е -центра и «немостикового» кислорода, сопровождающемуся релаксацией напряженных связей.
Образующиеся при облучении дырки могут вступать в реакции с содержащимися в диоксиде кремния соединениями типа SiH и SiOH. В ходе этих реакций также образуются Е -центры.
Таким образом, большинство процессов, происходящих в SiCh при облучении, приводят к образованию Е -центров, которые имеют донороподобный характер (ловушки для дырок). Следовательно, в диоксиде кремния при облучении преимущественно накапливается положительный заряд. Кроме того, за положительный заряд в БЮг отвечает также междоузельный кислород, образующийся при окислении: кислород при окислении диффундирует через пленку SiCh, и после окончания процесса часть его остается в окисле.
Качественно процесс генерации положительного заряда в диэлектрике можно описать с помощью ионизационной модели [38, 42]. Согласно этой модели при облучении в объеме S1O2 генерируются электронно-дырочные пары. Часть из них рекомбинирует, а оставшиеся пары распадаются. Подвижность электронов во много раз превышает подвижность дырок, вследствие чего электроны быстро покидают диэлектрик, а дырки могут захватываться на имеющиеся ловушки, заряжая их положительно. Предельное значение этого заряда зависит от концентрации ловушек в оксиде, определяемой способом его выращивания. Предполагается, что ловушки в оксиде могут представлять собой группы типа Si-O, Si-H либо Si-OH, образование которых обусловлено неспаренной связью атомов Si в оксиде.
При радиационной обработке в результате компенсации проводимости п- и р-кремния можно считать, что в приповерхностной области n-кремния вводятся в основном центры акцепторного характера, а в р-кремния - донорного. В результате знак и величина общего заряда структуры Si-Si02 будут определяться в случае р-кремния суммой зарядов в окисле и в приповерхностной области полупроводника, а в случае n-кремния - их разностью.
Исследование процесса дифференциального накопления заряда в различных участках структуры Si-SiCh показало значительную неоднородность распределения заряда в исходной пленке SiC 2. При облучении заряд накапливается в первую очередь в областях с минимальным начальным зарядом. Таким образом, в результате облучения структуры Si-SiCh «рельеф» плотности объемного фиксированного заряда выравнивается за счет преимущественного его накопления в областях с меньшей исходной плотностью.
С точки зрения накопления объемного заряда наиболее радиационно-стойкими являются структуры, полученные термическим окислением в сухом кислороде (1000-1100 С) на кремнии с ориентацией 100 (эта ориентация предпочтительна и с точки зрения меньшей плотности поверхностных состояний) с последующим отжигом структур перед облучением в водороде или азоте. Наименьшую радиационную стойкость имеют образцы, которые предварительно отжигались в атмосфере гелия, а наибольшую - обработанные в водороде при 450 С.
При потоках облучения свыше 5-Ю14 см"2 в переходной области наблюдается интенсивное образование поверхностных состояний (ПС). Процесс образования ПС при облучении идет в два этапа. Вначале в объеме SiC"2 образуются свободные дырки, протоны и атомарный водород. Затем происходит их дрейф или диффузия к границе раздела Si-SiC 2, где они вступают в реакции, при которых в основном образуются Pb-центры. В результате плотность ПС возрастает.
Диффузия протонов может происходить следующим образом: протон захватывается молекулой «химически сорбированной» воды с образованием НзО+, далее этот протон перемещается посредством туннелирования по цепочке соседних молекул «химически сорбированной» воды. Часть водорода переносится к границе Si-SiC 2 в молекулярном виде. В приграничной области молекулярный водород может вступить в реакцию, в ходе которой идет пассивация Е -центров.
Плотность и зарядовое состояние поверхностных состояний на границе раздела, вызванное облучением, зависят от метода выращивания окисной пленки и типа подложки. Причем, чем выше исходная плотность состояний, тем больше создается новых состояний при облучении, и наоборот - более совершенная граница раздела более устойчива при облучении. Важную роль играет предварительная термообработка перед облучением - большее увеличение плотности ПС при облучении наблюдается после отжига в атмосфере гелия, а наименьшее - после отжига в атмосфере водорода или влажного азота. Отжиг в водороде снижает плотность состояний на границе раздела Si-Si02 благодаря высокой проникающей способности и химической активности водорода, что приводит к заполнению («залечиванию») ненасыщенных связей. Этот эффект можно использовать для улучшения усилительных свойств транзисторов в микрорежимах [29].
На радиационные процессы в оксиде и в приповерхностных слоях кремния сильно влияет перераспределение примесей в процессе термического окисления, которое зависит от трех факторов: коэффициента сегрегации примесей на поверхности раздела Si-SiCh, отношения коэффициентов диффузии примеси в кремнии и SiCh, и скорости окисления. В процессе окисления граница раздела SiC -Si идет в глубь кремния, при этом приповерхностные слои кремния обогащаются кислородом и донорными примесями, и обедняются акцепторными примесями. Установлено также, что золото, обычно используемое для снижения времени жизни в объеме кремния, после диффузии сильно геттерируется к границе раздела Si-SiC и действует здесь как акцепторная примесь (наводит отрицательный заряд). Аналогичное влияние, но в большей степени, оказывает накопление платины на границе раздела, что используется для получения электрически компенсированных диэлектрических покрытий с повышенной радиационной стойкостью.
Влияние режимов операций РТП на статические параметры
На основе исследования релаксационной спектроскопии глубоких уровней (РСГУ) было установлено, что при операции облучения «быстрыми» электронами в базовую область силовых диодных структур вводятся «глубокие» радиационные центры, имеющие следующие энергетические уровни: Ес - 0,19 эВ, Ес - 0,21 эВ (А-центр); Ес - 0,25 эВ, Ее - 0,34 эВ (Е-центр); Ес -0.38 эВ, Ес - 0,42 эВ (Дивакансии).
Экспериментально установлено, что в процессе облучения происходит отжиг Е-центров в интервале температур (200 - 350) С. Энергия активации этого процесса зависит от типа донорной примеси, входящей в состав центра, так как при введении примесей, ковалентныи радиус которых отличается от ковалентного радиуса кремния, происходит микродеформация решетки. Температура отжига Е-центров существенно сдвигается в сторону более высоких температур при увеличении концентрации доноров, что связано с изменением зарядового состояния центров. В интервале температур (400 - 500) С отжигаются А-центры с энергией активации 1,4 эВ. Температура полного отжига А-центров растет с увеличением потока облучения. Дивакансии отжигаются (диссоциируют) в интервале температур (450 - 600) С с энергией активации 1,25 эВ, при этом отжиг идет в две стадии: примерно 40 % РЦ отжигается при температуре 450 С, а остальные 60 % - при 600 С.
С ростом интегрального потока электронов наблюдается значительное возрастание скорости образования Е-центров с участием основной легирующей примеси (фосфора) и снижение скорости образования центров Ес - 0,42 эВ с участием остаточной примеси (кислорода), также появляются новые «глубокие» РЦ, имеющие энергетические уровни: с - 0,50 эВ, Ес - 0,53 эВ и Ес - 0,54 эВ, увеличивающие концентрацию основных носителей заряда в и-области.
Потоки «быстрых» электронов для образцов выбирали, учитывая исходную концентрацию электронов в полупроводнике. Например, в слаболегированных слоях FRED - диодов компенсация проводимости, в результате которой сигнал АС переставал изменяться, наступала при меньших потоках облучения, чем в FRED - диодов, в котором исходная концентрация электронов на два порядка выше. Основные характеристики ГЦ всех исходных и облученных образцов, сгруппированные по величине энергии ионизации, представлены в Приложении Б в таблице Б. 1.
Накопление ГЦ в запрещенной зоне полупроводника при облучении сильно влияет на концентрацию носителей заряда и положение уровня Ферми, которое при больших потоках облучения в широкозонных полупроводниковых асимптотически приближается к середине запрещенной зоны [61]. Благодаря высокой подвижности генерируемых облучением неравновесных вакансий и межузельных атомов возможно появление новых сложных конфигураций дефектов (центров), которые создают в запрещенной зоне соответствующие глубокие уровни донорного и акцепторного характера. Получить представление о возможных механизмах образования таких центров и их природе можно из анализа скоростей введения, соотношения концентраций, сечений захвата и энергий ионизации ГЦ. Для оценки скоростей введения ГЦ были измерены дозовые зависимости концентрации ГЦ. Полученные экспериментальные зависимости были описаны соответствующими функциями для каждого из обнаруженных центров, представлены в Приложении Б на рисунках Б.2 - Б.4.
Дозовые зависимости скорости введения ГЦ рассчитывали дифференцированием функции, описывающей дозовую зависимость концентрации введенных дефектов. Например, для степенной функции вида Ы,=к\Фкг, скорость введения ГЦ описывали выражением: V=k2 NtAE , где к2 -расчетный коэффициент, N,- концентрация ГЦ. Для сравнения процессов образования глубоких центров в соединениях разного состава целесообразно сгруппировать центры с близкими энергиями ионизации, у которых значения сечений захвата и скоростей введения одного порядка.
К первой группе центров можно отнести дефекты, в образовании которых участвуют атомы примеси это ГЦ с энергией ионизации Ес-0.19 эВ и Ес-0.25 эВ. Эти уровни имеют примерно равные сечения захвата ап=(2-й) Ю см .
Однако, как видно из Приложении Б, при увеличении потока «быстрых» электронов концентрация первого уровня снижается, а второго растет, причем скорости удаления и введения дефектов одного порядка. Наличие уровня Ес-0.25 эВ объясняется комплексом атома легирующей примеси с атомом фосфора, сместившимся из узла, чтобы компенсировать механические напряжения решетки. Возможно, что при радиационном воздействии этот комплекс разрушается за счет выбивания атома фосфора из узла и формируется комплекс Te+Vp с энергией ионизации Ес-0.25 эВ [62]. Аналогичную картину наблюдали в ионноимплантированных структурах на основе Si с р-п переходом [33]. В 2Д237 и 2д2992 уровни Ес-0.21 эВ и Ес-0.25 эВ соответственно, с сечением захвата ап=(5-н8) 10"13 см2, по всей видимости имеют аналогичную природу, легирующая примесь, связанная с вакансией фосфора [54].
Ко второй группе центров можно отнести те, которые образованы комплексом вакансий в подрешетках атомов третьей и пятой групп без участия примесных атомов. Это ГЦ Ес-0.38 эВ в GaAs, Ес-0.34 эВ в 2Д237, Ес-0.38 эВ в 2Д2992 и Ес-0.32 эВ в FRED. Сечение захвата у всех центров этой группы составляет величину порядка ап=(1- 2) Ю 13 см2, причем дозовые зависимости скорости введения этих центров аналогичны.
К третьей группе центров можно отнести два уровня: Ес-0.54 эВ в GaP и Ес-0.60 эВ в GaAs. Сечение захвата этих центров составляет величину порядка ап=(3-й) Ю"14 см2, а концентрация практически не изменяется при облучении и, соответственно, скорость введения близка к нулю. Возможной природой этих центров является либо неконтролируемая (остаточная) примесь, либо комплекс примеси и точечных дефектов [67]. Проведенные измерения глубоких центров в р+п переходах [68,69] и после отжига облученного полупроводника [70] косвенно подтверждают эти предположения. Центр с энергией ионизации 0,50 эВ наблюдали при отжиге облученных слоев под пленкой нитрида алюминия при температуре Т = 400 С, тогда как в исходных слоях и сразу после облучения этот центр отсутствовал. Кроме того, аналогичные центры появляются в полупроводниках, отожженных под пленкой Si3N4 и в тех р+п структурах, которые были изготовлены с использованием отжига под пленкой Si3N4.
Важнейшей характеристикой кремниевой диодной р—я-структуры является вольт-амперная характеристика (ВАХ), вид ВАХ в первую очередь определяется электрофизическими параметрами и геометрическими размерами слаболегированной базовой области. При радиационной обработке, независимо от вида проникающего излучения, в кремниевых диодных структурах основное изменение происходит на прямой ВАХ, где изменяется основной статический параметр - прямое падение напряжения Unp при фиксированном прямом токе 1пр. Рост ипр является нежелательным эффектом, однако анализ поведения этого параметра необходим для правильного выбора режимов проведения операции РТП.
Влияние РТП на вольт - амперные характеристики силовых кремниевых диодных структур
Нелинейные уравнения (127) и (128) с граничными условиями (126), начальным приближением р(х, /), п(х, t), Е(х, f) при / = 0 и установленным внешним возбуждением J(t), t О представляют собой математическую модель эквивалентную исходной. В этой форме Е, п, р выбираются как независимые величины и представляются неизвестными в уравнениях пониженного порядка.
Первый шаг численного решения такой системы уравнений требует разбиения параметров дифференциальных уравнений на конечное число точек по х и /. Затем дифференциальные уравнения заменяются системой нелинейных алгебраических уравнений в конечных разностях. Дискретизация уравнений параболического типа в частных производных выдвигает проблему сходимости и устойчивости численных решений [12,13]. Эти вопросы, а также методы решения таких систем уравнений будут подробно рассмотрены на практических занятиях.
Пространственные распределения поля и плотности подвижных носителей в исходный момент времени могут быть определены из решения уравнений для статического распределения. Устанавливается зависимость общего тока как функция времени и Е, п, р определяются с помощью итеративной схемы расчета.
Пространственные распределения электрического поля, плотностей электронов и дырок определенны в момент to. Уравнение (127) дает пространственное распределение Е, которое затем вводится в уравнения (128) для определения пространственного распределения плотности электронов и дырок в момент t\.
Выходное напряжение может быть получено интегрированием электрического поля по формуле (127). Затем итеративный цикл с уже изученными распределениями плотностей подвижных носителей заряда и электрического поля повторяется до тех пор, пока не будет достигнуто конечное состояние для момента времени ti, то есть до получения заданной точности. Точность определяется по разнице между исходными величинами поля для двух последовательных итераций. После этого индекс времени увеличивается на единицу fo). Процедура повторяется до достижения конечного значения тока. Предположенная итеративная схема является неявной и сходится во всех практически рассмотренных случаях.
В каждый момент времени известно значение U=J[t), а общий ток через прибор неизвестен и должен быть определен из решения. Для численного решения может быть использован тот же итерационный алгоритм, как и для перехода, управляемого током. С целью успешной интерполяции ток на вольт-амперной характеристике «закрепляется» в определенной точке. Это позволяет рассчитать выходное напряжение. Затем значение тока уточняется для получения требуемого напряжения. В качестве начальных условий используется решение для стационарного случая.
Таким образом, показано как на основе базовой системы дифференциальных уравнений (92) - (96) моделируется работа диода в стационарном и динамическом режимах. Такой подход позволяет рассчитывать характеристики диодных структур для произвольно заданных профилей распределения примесей и граничных условий, а также дает возможность проводить моделирование работы прибора в условиях эксплуатации и внешних воздействий, при которых меняются параметры самого полупроводникового материала.
Полученные экспериментальные данные показывают большую эффективность методики РТП для управления (улучшения) электрическими параметрами силовых диодных структур. Введение операций РТП (облучения быстрыми электронами и отжига) в широком диапазоне интегральных потоков позволяет получать следующие положительные результаты: - многократно увеличить быстродействие (в 2-25 раз); - расширить диапазон предельных рабочих частот (до 10 МГц); - в зависимости от требований разработчиков силовой РЭА получать оптимальное сочетание предельной частоты и суммарной рассеиваемой мощности; - снизить значения барьерной емкости диодных структур и повысить электропрочность. Повышение быстродействия и получение принципиально нового сочетания статических и динамических параметров значительно расширяет области применения исследуемых диодных структур. Анализ экспериментальных данных показал, что проведении РТП в разработанных режимах приводит к увеличению концентрации носителей заряда в области базы, и снижению удельного сопротивления. Однако увеличение потока облучения происходит к снижению концентрации основных носителей заряда, приводящего к экспоненциальному росту удельного электросопротивления базовой «-области. Это приводит к увеличению падения напряжения на базе, дающего основной вклад в полное прямое падение напряжения на диодной структуре. При контролируемой радиационной обработке полупроводниковых структур быстрыми частицами, наряду с опережающим эффектом снижения времени жизни неосновных носителей заряда можно эффективно регулировать удельное электросопротивление. В основном это достигается за счет компенсации основной легирующей примеси, вводимыми при обработке глубокими радиационными центрами и изменением концентрации носителей заряда. На основании экспериментальных данных установлено, что при не больших потоках облучения (Фе 2-Ю1 см"2) основной вклад в суммарные потери мощности вносит динамическая составляющая, снижение которой опережает рост статической мощности. В интервале потоков (2 - 8)-1016 см 2 при температуре 450С с плотностью потока электронов не больше 2,3-1013см 2-с-1 вклад динамической и статической мощностей в значение суммарной мощности одинаков. На основании проведенных исследований сделаны следующие выводы. 1. Анализ экспериментальных результатов по влиянию операций РТП на динамические и статические параметры силовых кремниевых диодных структур позволил осуществить выбор оптимальных режимов облучения, исключающих последующий стабилизирующий отжиг. Использование операций облучения «быстрыми» электронами с интегральным потоком (2 - 8)-1016 см 2, плотностью потока до 2,3-1013 см"2-с" , временем облучения 15 мин позволяет: - повысить быстродействие диодов 2Д237 в 800 раз, 2Д2992 в 100 раз, 10 раз FRED -диодов.
