применение радиации для улучшения электрических параметров силового диода ( полупроводник )

Радиационное воздействие может служить эффективным технологическим инструментом, позволяющим существенно усовершенствовать и удешевить производство полупроводниковых приборов, улучшить их качество, а также экономить драгоценные металлы, используемые при их производстве. Наиболее часто в радиационной технологии применяется облучения быстрыми электронами.
Радиационный технологический процесс (РТП), состоящий из последовательных операций радиационного облучения и термического отжига, находит все более широкое и в основном безальтернативное практическое применение в технологии различных изделий полупроводниковой электроники с целью обеспечения импульсно-частотных характеристик и регулирования статических параметров.
...

1.1 Общие свойства и параметры силовых выпрямительных диодов 8
1.1.1 Непроводящее состояние силового диода 8
1.1.2 Вольт-амперная характеристика 10
1.1.3 Статические параметры 11
1.1.4 Динамические характеристики 12
1.1.4.1 Переходные процессы 13
1.1.5 Предельно допустимые значения 17
1.2 Радиационно-технологичекий процесс 18
1.2.1 Взаимодействие электронов с веществом 19
1.2.2 Механизмы образования и физическая природа радиационных центров 21
1.2.3 Изменение основных электрофизических параметров при облучении 23
1.2.3.1 Время жизни неосновных носителей заряда 24
1.2.3.2 Концентрация, удельное сопротивление и подвижность 25
1.3 Термостабильность и кинетика отжига радиационных центров 28
1.4 Влияние облучения на основные параметры диодов 32

Силовой выпрямительный диод -это неуправляемый полупроводниковый электро-преобразовательный прибор, имеющий два металлических вывода (анод со стороны p-слоя и катод со стороны n-слоя), содержащий один p–n-переход и обладающий односторонней проводимостью тока.[1] Выпрямительные диоды используют для преобразования переменного тока в ток одной полярности. В зависимости от полярности приложенного к внешним выводам диода напряжения он может находиться в одном из двух устойчивых состояний: непроводящем состоянии (p-n- переход смещён в обратном направлении) и проводящем (p-n- переход смещён в прямом направлении).

В современных диодах оно эта величина достигает 10 кВ. Uпроб в сотнях вольт определяет класс выпрямительного диода.2)максимально допустимый прямой ток (предельный ток) Iпред, определяемый в однофазной однополупериодной схеме выпрямления при синусоидальном тока частотой 50 Гц, угле проводимости 180 и заданной температуре кристалла. Он определяется формулой(14)Iпред=12π0+πUmRд*sinωt*dωt=Umπ*Rд=Imπ (14)где Um-амплитудное значение напряжения сетиRд-активное сопротивление нагрузкиIm-амплитудное значение выпрямленного тока.Предельный ток Iпред. определяет тип вентиля, он достигает 8кА.3)Максимальный обратный ток Iоб составляет доли мкА-десятки мА4)импульсное прямое напряжение Uпр- это максимальное значение прямого напряжения, обусловленное максимально допустимым средним прямым током Iпр. Оно составляет 1…3В5) пороговое напряжение Uо (0,5…1,5В) и дифференциальное сопротивление rд6)время восстановления обратного сопротивления tвост (доли нс-, доли мкс для высокочастотных и 25…100 мкс для низкочастотных)7)заряд обратного восстановления Qвост-определяет мощность потерь обратного восстановления, его значение лежит в пределах от десятков нК-десятков мкК).2. Радиационно-технологичекий процессРадиационное воздействие может служить эффективным технологическим инструментом, позволяющим существенно усовершенствовать и удешевить производство полупроводниковых приборов, улучшить их качество, а также экономить драгоценные металлы, используемые при их производстве. Наиболее часто в радиационной технологии применяется облучения быстрыми электронами.Радиационный технологический процесс (РТП), состоящий из последовательных операций радиационного облучения и термического отжига, находит все более широкое и в основном безальтернативное практическое применение в технологии различных изделий полупроводниковой электроники с целью обеспечения импульсно-частотных характеристик и регулирования статических параметров.Наличие запрещенной зоны в электронном энергетическом спектре полупроводника обуславливает его высокую чувствительность к присутствию в кристаллической решетке собственных структурных дефектов: точечных, линейных, объемных. Изменение подсистемы дефектов под воздействием радиации вызывает изменение спектра локализованных состояний, связанных с дефектами, что приводит к изменению свойств материала.[12] Именно это является причиной низкой устойчивости полупроводников и приборов на их основе к воздействию высокоэнергетической радиации.С введением определенных строго дозируемых концентраций термостабильных радиационных дефектов в полупроводники и приборные структуры на их основе стало возможным регулировать их свойства и характеристики с точностью, недостижимой при использовании диффузии химических примесей. Это положено в основу разрабатываемых радиационных технологий для конкретных типов полупроводниковых приборов.2.1.Взаимодействие электронов с веществомПри облучении быстрыми электронами радиационные дефекты вводятся равномерно по объему образца. Эти излучения целесообразно использовать для облучения р-n-структур, имеющих достаточно обширные активные области, куда следует вводить дефекты. [18] К таким структурам от носятся и силовые диоды. При взаимодействии с веществом энергия электронов расходуется главным образом на неупругое рассеяние на атомах, вызывая их ионизацию. Кроме этого, также происходит упругое рассеяние, связанное с кулоновским взаимодействием электрона с ядром атома, в результате чего происходит смещение атомов в междоузлия.Эффекты смещений приводят к образованию в кристалле радиационных дефектов. Радиационный дефект возникает в том случае, если энергия бомбардирующей частицы достаточна для смещения атома из узла кристаллической решетки в междоузлие.[15] Эта энергия называется пороговой энергией смещения (Еd). Выбитый из узла атом при движении генерирует пары Френкеля вблизи своей траектории. В результате каскада соударений образуются дефектные разупорядоченные области - кластеры с характерным линейным размером (10-6 – 10-5) см. При этом концентрация компонентов пар Френкеля в кластере может достигать 1021 - 1022 см-3. Образование пар Френкеля и кластеров является первичным радиационным дефектом. [27]Согласно законам сохранения энергии и момента количества движения энергия, передаваемая атому отдачи Еa при упругом взаимодействии, определяется следующим соотношением(15):Ea=Ea max*sin2θ2 (15)где θ - угол между направлением движения электрона до и после столкновения.При лобовом столкновении (θ=180о) атому быстрым электроном передается максимальная энергия Еa max , равная, исходя из формулы (16):Ea max=2(Ea+2mс2)Mс2Ea (16)где Еa max - наибольшая кинетическая энергия смещенного атома;Еa - кинетическая энергия электрона; m - масса покоя электрона;с - скорость света,M - масса ядра атома полупроводника,m - масса электрона.Если налетающая частица передаст атому облучаемого вещества кинетическую энергию, превышающую пороговую энергию смещения Ed, то атом может выйти из узла в междоузельное положение, т.е. возникает первичное смещение. [14] Для расчета количества первичных смещений необходимо знать полное поперечное сечение смещений δd, определяемых по формуле(17):δd=8πδо121x2о-1+παβ(1xo-1+β2+παβlnxo] (17)где β-скорость электронов единицах скорости светаРаспределение атомов по полученным энергиям при электронном облучении определяется формулой(18):nEa=4πδdEa max(Ea maxEa)2 (18)Полное число смещённых атомов в веществе при бомбардировке электронами с различной энергией имеет вид(19):Nd=EdEa maxФnoσdEvEdE (19)Вторичное смещение - это смещение атомов из узлов за счет передачи им энергии от первично смещенных атомов отдачи или за счет взаимодействия с атомами вещества вторичных излучений, возникших при взаимодействии первичных излучений с веществом. Такой атом в свою очередь может при движении генерировать пары Френкеля вблизи своей траектории. Результатом каскада соударений является образование дефектных разупорядоченных областей —радиационных кластеров с характерным линейным размером (10-6 – 10-5) см. При этом концентрация компонентов пар Френкеля в кластере может достигать 1021 - 1022 см-3. 2.2.Механизмы образования и физическая природа радиационных центров в кремнии.Облучение полупроводников быстрыми частицами приводит к образованию различных радиационных центров различной физической природы.Энергетический спектр радиационных центров в кремнии при облучении быстрыми электронами на рисунке 6.Рисунок 6 Энергетический спектр радиационных центров в кремнии при облучении быстрыми электронамиПрирода и энергетический спектр радиационных дефектов определяется: энергией, переданной атомами облучаемого вещества, видом бомбардирующих частиц, примесным составом кристаллов и условиями проведения эксперимента.Радиационные центры бывают: первичные- которые образуются сразу же в момент разрыва связей: вакансия, междоузельные атомы, вторичные: образуются в результате миграции точечных дефектов и их объединения между собой с примесями.Современная модель образования устойчивых радиационных центров заключается в том, что термостабильными в рабочем диапазоне температур полупроводников и интегральных схем и вносящими в запрещённую зону полупроводника разрешённые уровни энергии, являются не точечные первичные нарушения, а их ассоциации между собой и атомами остаточных легирующих примесей.2.2.1. А – центры. Комплекс вакансия-кислород (А-центр, VO) является одним из основных радиационных дефектов. Преобладает в кремни полученном методом Чохральского, так как там высокое содержание кислорода 1018 см-3. А – центр дефект с акцепторным уровнем (электронная ловушка) Ес-0,17 эВ. Этот уровень существует в кремнии уже при комнатной температуре. При захвате вакансии атом кислорода смещается из междоузлия и располагается почти в вакантном узле, не занимая при этом полностью замещающее положение. Он смещен из центра тетраэдрального замещающего положения в <100> направлении и связывается с двумя атомами кремния, образуя Si-Oi-Si. и оборванных связей не имеет.2.2.2. Е-центрЕ-центр- это комплекс вакансии с легирующей примесью. Преобладает в кремнии, полученном методом зонной плавки. E-центр создает в кремнии акцепторный уровень с энергией ЕС – 0.44 эВ. При этом фосфор, вошедший в E-центр, уже не создает донорного уровня. E-центр удаляет из зоны проводимости сразу два электрона, если уровень Ферми выше, чем ЕЕ. Если ЕF ниже, чем ЕЕ, то удаляется только один электрон (за счет исчезновения донорного уровня). Е-центр является самым нестабильным, в процессе отжига его необходимо отжечь.2.2.3. J-центр или дивакансияДивакансия возникает в практически чистом материале (где мало легирующей примеси), состоит из двух вакансий. В кремнии с решеткой типа алмаза дивакансии создают шесть оборванных связей и являются амфотерными центрами. Дивакансии образуются при облучении быстрыми частицами с энергией >10 Мэв. Механизм образования: бомбардирующая частица передаёт атому кремния энергию, достаточную для того, чтобы он мог выбить в междоузлие соседний атом и сам перейти в междоузлие.Дивакансия в зависимости от зарядового состояния дает три уровня в запрещенной зоне кремния, два акцепторных и один донорный:верхний, двукратно отрицательно заряженный (ЕС - 0.23) эВ;средний, однократно отрицательно заряженный (ЕС - 0.39) эВ;нижний, положительно заряженный (ЕV + 0.21) эВ.Введение дивакансии в материал n-типа также приведет к удалению из зоны проводимости двух электронов. Если дивакансия вводится в материал n-типа, то уменьшения свободных носителей не происходит. Если имеем сильнолегированный p-материал, то дивакнсия удаляет дырку из валентной зоны, т.е. дивакансия обладает амфотерностью. 2.2.4. Более сложные комплексыВ полупроводнике, содержащем акцепторную примесь, возникают комплексы: вакансия + акцепторная примесь. Предполагают, что существует комплекс вакансия+ алюминий, имеющий уровень (ЕV+0.48) эВ и являющийся дефектом донорного типа.Есть предпосылки для существования центра (V+B). Ему приписывают энергетический уровень (ЕV + 0.45) эВ. Имеется аналог А-центра и в p-типе. Это, так называемый, K-центр. Предполагается, что это сочетание вакансии, кислорода и углерода: K=V+0+С. K-центр создает два донорных уровня в запрещенной зоне: ЕV + 0.3 эВ и (ЕV + 0.16) эВ.Реальное количество всевозможных центров в кремнии может быть очень большим. Все рассмотренные центры являются следствием появления вакансий как первичного радиационного дефекта.2.3.Изменение основных электрофизических параметров в кремнии при облучении.В силу особенностей энергетической зонной структуры полупроводниковых кристаллов их электрофизические свойства особенно сильно изменяются при воздействии излучений.Основными электрофизическими характеристиками полупроводниковых материалов, определяющими электрические параметры полупроводниковых приборов, являются: концентрация носителей заряда n, подвижность μ, время жизни носителей заряда τ и их диффузионная длина L. 2.3.1.Время жизни неосновных носителей зарядаОдной из самых чувствительных к действию проникающего излучения характеристикполупроводников является время жизни неосновных носителей заряда, так как глубокие уровни радиационных центров в полупроводниках являются эффективными центрами рекомбинации. При облучении в запрещённой зоне образуется много дополнительных энергетических уровней, но время жизни в облучённом полупроводнике определяется лишь одним-двумя доминирующими рекомбинационными центрами. Обратная величина τ при небольших уровнях инжекции пропорциональна числу рекомбинационных центров (согласно статистике Шокли-Рида-Холла).[16]Таким образом, зависимость времени жизни от интегрального потока излучения можно описать простым соотношением(20):1τ=1τо+КτФ (20)где Кτ- - радиационная константа, зависящая от удельного сопротивления исходного материала, природы излучения и скорости введения радиационных дефектов (скорость изменения времени жизни при облучении), см2/сτо- время жизни до облученияτф- время жизни после облучения интегральным потоком ФИз этого выражения следует, что с ростом интегрального потока излучения, время жизни неосновных носителей заряда монотонно убывает, что видно на рисунке 7.Рисунок 7 Зависимость времени жизни от интегрального потока облученияМожно записать выражение в другом виде(22), учитывая(21)LD2=Dτ(21)1Lф2-1Lo2=КLФ(22)2.3.2.Удельное электро-сопротивление, концентрация и подвижностьРадиационные дефекты в полупроводниковых материалах способствуют уменьшению концентрации свободных носителей заряда, которая в кремнии, при росте дозы облучения, приближается к собственной, что можно наблюдать на рисунке (8). Концентрация основных носителей заряда изменяется в зависимости от интегрального потока облучения в широком диапазоне доз по экспоненциальному закону. (23)nф=n0exp⁡(-anФ) (23)где nф - концентрация электронов после облучения; n0- концентрация электронов до облучения;an- постоянный коэффициент, связанный с начальными характеристиками материала.Рисунок 8 Зависимость концентрации основных носителей заряда от потока облученияПодвижность неосновных носителей заряда в полупроводнике определяется рассеянием на тепловых колебаниях решетки (фононах), ионах примесей, дислокациях и других несовершенствах кристаллов. Радиационные дефекты, вызывают уменьшение подвижности, так как радиационные центры действуют как дополнительные центры рассеяния. Рисунок Изменение удельного сопротивления зонного (1) и тигельного (2) кремния n-типа при облучении электронами с энергией 10 МэВ (300 К)Изменение подвижности свободных носителей заряда сказывается при значительно больших потоках, чем изменение концентрации. Это изменение можно описать эмпирическим коэффициентом Кμ, вводимым в формулу(24):1μф=1μ0+Кμ*Ф (24)При облучении электронами с энергией Ее=2,5 МэВ значение Кμ для кремния марки КЭФ-3 равно 2,1*10-20, для кремния марки КЭФ-0.2 равно 3*10-21Удельное сопротивление и удельная проводимость полупроводника связаны с исходными характеристиками материала выражением(25):σ=1ρ=q(nμn+pμp) (25)где ρ, δ - удельная проводимость и сопротивление; n, p- концентрация электронов и дырок; μn, μp- подвижности электронов и дырок; q- заряд электрона. Так как радиационные дефекты способствуют уменьшению концентрации основных носителей заряда, снижению их подвижности, наблюдается смещение уровня Ферми к середине запрещённой зоны, то, в соответствии с выражением 25, удельное сопротивление полупроводникового материала в кремнии увеличивается и стремится к значению, близкому для собственного кремния 2*105 Ом*см при 300 К. Экспоненциальная зависимость изменения удельного сопротивления полупроводниковых материалов от интегрального потока излучения определяется формулой(26):ρф=ρ0exp⁡(KpФ) (26)где ρ0, ρф - удельное сопротивление полупроводника до и после облучения Кр-радиационная константа удельного сопротивления полупроводника. Выражение получено при допущениях, что изменение удельного сопротивления для кремния в основном обусловлено изменением концентрации носителей заряда и справедливо для материала n- типа в интервале (5*1013<n0<1017) см-3 при Кρn =387 , и для материала p-типа в интервале (1014<Р0<5*1017) см-3 при Кρp=444. При КρФ<1, удельное сопротивление вычисляется по формуле(27)ρф=ρ0*(1+Кρ*Ф) (27)где ρ0 и ρф – удельное сопротивление до и после облученияФ- интегральный потокКρ –константа, определяющая скорость роста удельного сопротивления при облучении.Константа Кρ определяется свойствами исходных образцов и условиями облучения. Её физический смысл видно из формулы(28)Kρ=1n0ΔnФ (28)где n0- исходная концентрация носителей заряда∆nФ – скорость удаления носителей заряда при облученииКонстанты Кρ и Кτ определяются скоростью образования радиационных центров, их рекомбинационными характеристиками (сечениями захвата электронов и дырок), а также степенью заполнения центров электронами.В отличие от времени жизни заметные изменения удельного сопротивления появляются при существенно больших значениях интегрального потока облучения. При облучении электронами увеличение ρ проявляется при флюенсе порядка 1014-1015 см-2.3. Отжиг радиационных дефектов.Имплантация ионов сопровождается вредными побочными процессами: возникновение радиационные повреждения кристаллической решетки, вследствие чего структура облучённого участка может стать близкой к аморфной, и также остановкой ионов не в тех местах, где нужно (межузельные ионы).Для восстановления электрофизических свойств, путём устранения нетермостабильных радиационных дефектов, готовые полупроводниковые материалы и приборы на их основе после облучения ядерными частицами подвергаются стабилизирующему термическому отжигу. Если облучение проводилось при повышенных температурах, так называемое «горячее» облучение, тогда нет необходимости в стабилизирующем термическом отжиге после облучения. [18,20] Суть отжига сводится к тому, что тепловая вибрация способна устранять повреждения кристаллической решётки и активизировать внедрённые ионы. В процессе восстановления повреждённый слой рекристаллизуется, повторяя структуру расположенных ниже неповреждённых слоёв. Кроме того, в процессе отжига имплантируемые ионы, находящиеся в межузельных положениях, перемещаются в положение замещения. [18,20] Уровень Ферми при этом смещается в сторону зоны проводимости, стремясь к положению, определяемому уровнем ядерного легирования образцов. Отжиг включает в себя такие процессы как: термическая диссоциация дефекта; движение дефекта как единого целого на сток; отрыв одной из составляющих дефекта и необратимый уход на сток; присоединение одного из компонентов пары Френкеля к существующему дефекту.Параметрами, характеризующими процесс отжига являются: энергии активации и частотные факторы (частоту скачков дефекта на сток). Температура, при которой концентрация дефектов уменьшается на 50%, определяется как температура отжига[21] Характерное время отжига составляет порядка 30 минут.Кинетика отжига данного радиационного центра описывается через величину его неотожённой доли, определяемой по формуле(29):ft=NtNt0=exp⁡(-Stt) (29)Где St определяется по формуле (30)St=νt*exp-EaKT (30)Где St-вероятность отжигаt-длительность отжигаNt-концентрация отожжённых центровЕа-энергия активацииΝt- предэкспоненциальный множительПроцесс отжига определённого типа радиационного центра имеет диффузионный характер и количественно характеризуется энергией активации отжига, её значение находится по формуле(31):Ea=k lnt2t1T1T2T1-T2 (31)Где Еа-энергия активацииТ1, Т2-изменение температуры при отжигеt1,t2- изменение временик- константа БольцманаИсходя из данного выражения энергию активации можно определить в случае экспоненциального уменьшения концентрации радиационных центров из измерений отрезка времени t1 и t2, необходимых для изменения концентрации радиационных центров до некоторого заданного значения в ходе отжига при температурах Т1 и Т2.На температуру отжига также влияет и метод выращивания кристалла. При облучением быстрыми электронами основные радиационные дефекты как А-центр (VO) и дивакансия (V2) стабильны в зонном кремнии до температуры 3500 С, а в кремнии, выращенном по методу Чохральского дивакансии стабильны до 2500 С и отжигаются без образования в заметных концентрациях новых электрически активных дефектов. [19]3.1.Отжиг А-центраА-центр обычно отжигается при (300-450)0 С с энергией активации 1,4 эВ. Отжиг А-центра в диффузионных p-n переходах имеет сложный характер и сопровождается появлением новой электронной ловушки. Наблюдается появление и исчезновение электронной ловушки с уровнем Ec-0,35эВ в облучённых электронами 1МэВ диффузионных переходах в области температур отжига (150-300)0 С при монотонном отжиге А-центра выше 1000 С. Также при облучении 12 МэВ наблюдается аналогичный характер отжига А-центра с генерацией ловушки с уровнем Ес-0,36.Ранняя стадия отжига VO T>1000 C в p-n переходах сопровождалась появлением в равной концентрации новой электронной ловушки с уровнем Е-0,34. При T>2000 С наблюдалась обратная перестройка дефекта с уровнем Eс-0,34 в А-центр. В формировании уровня Ес-0,34 предполагается участие неизвестного подвижного дефекта.