Численный анализ физических процессов в мощных биполярных полупроводниковых структурах с учетом радиационных воздействий тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

ГГо ОД

1 НЮД 1С07

На правах рукописи КЛЕБАНОВ Максим Павлович

ЧИСЛЕННЫЙ АНАЛИЗ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В МОЩНЫХ БИПОЛЯРНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУРАХ С УЧЕТОМ РАДИАЦИОННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

Специальность 01.04.10. - Физика полупроводников и

диэлектриков

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1997

Работа выполнена на кафедре Полупроводниковой электроники и физики полупроводников Московского государственного института стали и сплавов (технологический университет)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Е.А. ЛАДЫГИН

Официальные оппоненты: доктор, физико-математических наук, профессор В.К. АПАДИНСКИЙ кандидат технических наук, до цент В. А МАКАРОВ

Ведущее предприятие: Научно-исследовательский институт приборов, Москва.

Защита диссертации состоится " /У' 1997 г.

в /¿> часов на заседании Диссертационного Совета Д.053.08.06

при Московском государственном институте стали и сплавов (технологический университет) по адресу: 117936, Москва, ГСП-1 Ленинский пр-т, д. 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного института стали и сплавов.

Справки по телефону 236-81-33.

Реферат разослан " /I- " 1997 г

Ученый секретарь Диссертационного Совета доктор физико-математических наук,

профессор Гераськин В. В'.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы:

В последние годы радиационно-технологические процессы (РТП), состоящие из последовательных операций обработки высоко-энергетичными частицами и термостабилизирующего отжига, успешно применяются в производстве полупроводни .овых приборов, в частности, биполярных транзисторов и диодов. Радиационно-термическое воздействие приводит к формированию устойчивых дефектов с энергетическими уровнями в глубине запрещенной зоны полупроводника, действующими как эффективные центры рекомбинации. Радиационные воздействия позволяют без каких-либо существенных изменений параметров существующего технологического процесса, без разрушения готовой приборной структуры изменять в ней время жизни носителей заряда и оптимизировать параметры и характеристики прибора. Однако, оптимальное сочетание электрофизических параметров й характеристик различных областей диодной или транзисторной структуры приходится искать методом проб и ошибок при разработке радиационной технологии конкретных приборов.

Ускорить и упростить решение задач оптимизации можно путем использования вычислительного эксперимента, основанного на численном решении фундаментальной системы уравнений (ФСУ) физики полупроводников применительно к исследуемой приборной структуре. Современные системы численного анализа успешно моделируют электрические характеристики полупроводниковых структур с произвольным распределением легирующей примеси, при низком и высоком уровнях инжекции, разнообразных способах и законах генерации-рекомбинации и механизмах рассеяния носителей заряда. Известен также ряд работ по моделированию радиационных воздействий на структуры полупроводниковых приборов. Однако, самым сложным и не до конца выясненным является учет процессов локальной рекомбинации-генерации носителей заряда в облученной структуре. Разработка и применение моделирующих программ, позволяющих учитывать технологические радиационные воздействия, представляется актуальной задачей для производства современных приборов, а также детального анализа физических процессов в структурах.

Цель диссертационной работы - во-лервых, применить методы и программы численного решения фундаментальной системы уравнений физики полупроводников для анализа процессов в структурах мощных биполярных приборов с учетам радиационных воздействий; во-вторых, разработать модели для анализа и оптимизации параметров и характеристик приборных структур с использованием радиационной технологической обра^тки.

Для достижения указанных целей в работе были поставлены следующие задачи:

1. Разработать алгоритм и программу для анализа физических процессов в полупроводниковых структурах при высоком уровне инжекции с возможностью задания произвольных значений времени жизни носителей заряда и его пространственно неоднородного рас-пределения.

2. Предложить методику учета радиационных воздействий в программах численного приборно-схемотехнического анализа, пригодную дли прогнозирования изменений параметров структур в результате технологического облучения потоком электронов с энергией (2 10) МэВ.

3. Провести экспериментальное исследование статических и динамических параметров и характеристик мощных диодов и транзисторов для определения численных значений параметров модели радиационного воздействия.

4. Исследовать электрофизические характеристики вводимых радиационных дефектов и провести анализ их влияния на статические и динамические параметры диодных и транзисторных структур.

5. Провести численный анализ методов оптимизации параметров диодных и транзисторных структур с помощью технологического радиационного воздействия. Сравнить результаты анализа с экспериментально полученными характеристиками улучшения быстродействия и снижения рассеиваемой в приборах мощности.

Научная новизна представленных в работе результатов заключается в следующем.

1. Для программ численного анализа предложена методика учета радиационных воздействий, основанная на введении дополнительной зависимости времени жизни носителей от суммарной концентрации примесей в активных областях структуры. По результатам эксперимента получены численные значения параметров модели для

диапазона потоков (1013 + 1015) см"2 облучения электронами с энергией (2+ 10)МэВ. Методика использована в программах \нализ и ИСТОК.

2. Проведен анализ зависимости параметров прямой ВАХ. диодной структуры от энергетического положения рекомбинационного уровня с использованием многоуровневой модели рекомбинации-генерации. Показано, что при большой плотн сти прямого тока (>10 А/см2 при легировании эпитаксиального слоя базы 4-Ю14 см-3 (фосфор)) эффективными являются все вводимые облучением дефекты. При малом уровне инжекции (< 1 А/см2) оказываются эффективными дефекты с уровнями Ес - 0,3, £с - 0,4, + 0,33 эВ.

3. Установлено, что коэффициент передачи тока базы транзистора со структурой БСИТ типа КП934 при плотности тока коллектора свыше 10 А/см не зависит от энергетического положения рекомбинационного центра и определяется инжекционной способностью эмит-терного .перехода. При малом уровне инжекции (<(1 *3)А/см2) эффективными центрами рекомбинации, определяющими значение Иги. являются дефекты с уровнями, лежащими вблизи середины запрещенной зонУ.

4. Установлено, что время выключения диодной, структуры определяется наличием всех вводимых облучением центров. Однако, характер зависимости времени выключения от тока для разных центров отличается. Для центров Ес - 0,17 эВ время выключения растет с уменьшением тока, а для центров £с-0,4, Ее- 0,3 и 0,33 эВ падает. Определены соотношения параметров радиационных центров, при которых результаты расчета соответствуют наблюдаемым экспериментально зависимостям времени выключения от тока.

5. Проведен сравнительны" анализ оптимизации свойств диодных структур методами локального обпученля (в частности, альфа-частицами) и общего облучения (электронного или гамма). Показано, что локальное и общее облучение приводят практически к одинаковым результатам снижения времени выключения при допустимом увеличении прямого напряжения. Однако, за счет более длительного процесса извлечения накопленного заряда, рассеяние энергии в локально облученной структуре больше, чем при общем облучении. Делается вывод о целесообразности использования общего облучения для оптимизации параметров структур высоковольтных импульсных диодов. '

6. Показана возможность применения программ численного анализа для исследования влияния слоев структуры с аномальными

свойствами (в частности, /-слоя на границе сильно легированных областей п*-р эмиттерного перехода) на параметры и характеристики приборов. Установлено, что / -слой толщиной до 0,5 мкм в эмиттере мощного транзистора обнаруживается лишь в аномалии вольт-фарадной характеристики перехода, но не влияет на усилительные свойства и ВАХ рассматриваемого класса приборов.

Практическая полезность работы:

1. Разработана программа Анализ для численного расчета одномерных полупроводниковых структур при высоком уровне инжек-ции, позволяющая анализировать влияние времени жизни носителей на статические и динамические характеристики приборов.

2. Для анализа радиационных воздействий при произвольном уровне инжекции предложена методика использования программ смешанного приборно-схемотехнического анализа ИСТОК с возможностью двумерного моделирования полупроводниковых структур.

3. Получены расчетные зависимости параметров структур от дозы облучения, предназначенные для выбора оптимального сочетания параметров.

4. Выполнен расчет статическими динамических параметров транзисторной структуры БСИТ КП934 в зависимости от дозы электронного облучения для выбора оптимального сочетания параметров по критерию рассеиваемой в приборе мощности в импульсном режиме. Показана возможность снижения рассеиваемой мощности в транзисторе, работающем в схеме с индуктивно-резистивной нагрузкой, типичной для генераторов развертки, ключевых стабилизаторов напряжения, импульсных источников вторичного электропитания.

5. Разработаны и изготовлены макеты автоматизированных на основе ЭВМ установок релаксационной спектроскопии глубоких уровней, снятия вольт-фарадных и вольт-амперных характеристик, которые могут быть эффективно использованы в экспериментальных исследованиях приборных структур различных типов.

6. Обоснована методика определения эффективного (суммарного) времени жизни в структуре при радиационных технологических обработках, по измерениям длительности фазы высокой проводимости перехода при выключении.

7. Аппаратура, методики и программы численного анализа используются в учебном, процессе кафедры Полупроводниковой электроники и физики полупроводников МИСиС.

' Основные положения, выносимью на защиту^'

1. Модель учета радиационных воздействий на полупроводниковые структуры для программ численного анализа, основанная на дополнительной концентрационной зависимости времени жизни носителей заряда.

2. Программа анализа физических явлений в полупроводниковых структурах при высоком уровне инжекции. '

3. Модель системы- энергетических уровней радиационных дефектов для описания зависимости времени переключения диодной структуры от плотности тока.

4. Результаты расчета зависимости статических и динамических параметров диодных и транзисторных структур от энергетического положения рекомбинационных центров, введенных облучением.

5. Результаты численного анализа параметров и характеристик транзисторных структур типа КП934 с учетом радиационных воздействий.

6. Экспериментальные зависимости параметров и характеристик диодов и транзисторов от режима работы, уровня радиационного воздействия и условий отжига.

Апробация работы

Основные результаты роботы докладывались и обсуждались на ежегодном научно-техническом семинаре "Шумовые и деградаци-онные процессы в полупроводниковых приборах (метрология, диагностика,* технология)", г.Москва, 28 ноября - 1 декабря 1994г., 2-4 декабря 1996 г., на конференции "Микроэлектроника для атомной энергетики", г. Лыткарино, июнь 1933 г., на научно-техническом семинаре "Кремний-ЭЗ", г.Москва, 1393г., на Международной научно-технической конференции "Конверсия. Приборостроение. Рынок" г. Суздаль, 14 - 16 мая 1997 г., а также на научных конференциях МИСиС в 1993, 1994 и 1995 гг.

Публикации ,

По материалам диссертации в различных изданиях опубликовано 7 работ.

Структура к объем диссартации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа содержит 190 страниц, включая 86 рисунков, С таблиц и библиографию из 93 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследований, сформулированы цель и задачи диссертационной работы, отмечены научная новизна и практическая полезность результатов работы, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первом раздело на основе анализа опубликованных отечественных и зарубежных работ изложены принципы построения физико-математической модели структуры мощных биполярных приборов, используемой для проведения численного анализа, а также делается ибзор существующихлрограммных систем численного моделирования полупроводниковых структур.

В основу модельного описания приборной структуры положено решение фундаментальной системы уравнений (ФСУ) физики полупроводников, описывающей процессы токопереноса в гомогенном полупроводнике в диффузионно-дрейфовом приближении. ФСУ включает в себя уравнение Пуассона, уравнения непрерывности и уравнения для токов электронов и дырок. В общем случае, решение дополненной граничными условиями ФСУ, ввиду нелинейности, возможно осуществить только численными методами с помощью аппарата конечных разностей.

При решении ФСУ для описания конкретных структур мощных биполярных приборов необходим учет совокупности физических эффектов, имеющих место в активных и пассивных областях приборов при различных режимах работы. Для этого используются модели физических процессов, определяющие подвижности носителей заряда, их генерацию-рекомбинацию с учетом зависимостей от концентрации примесей, уровня инжекции, напряжённости электрического поля, температуры и параметров радиационного облучения и отжига.

Рассматриваются различные механизмы рассеяния носителей заряда: рассеяние на акустических и оптических фононах, на ионах примесей (РИП), электронно-дырочное рассеяние (ЭДР) -совместное действие которых определяет зависимости подвижностей от концентрации легирующих примесей, величины электрического поля, уровня инжекции и температуры. Для применения в численном анализе приводятся эмпирические аппроксимирующие выражения для зависимостей подвижностей от указанных факторов.

Удельное сопротивление является одним из важнейших параметров, которое характеризует максимальное рабочее напряжен е

диода или транзистора, а также определяет падение напряжения на пассивных (обычно высоколегированных) слоях структуры. При уровнях легирования до 1017 см"3 собственная концентрация Л/ зависит исключительно от температуры. При более высоких уровнях легирования, вследствие сужения ширины запрещенной зоны (СЗЗ), наблюдается увеличение собственной концентрации и, соответственно, заметное уменьшение падения напряжения на переходах при прямом смещении. В области сильных электрических полей (с напряженностью Е> 10® В/см) концентрация носителей заряда возрастает за счет ударной ионизации, что ограничивает максимальное рабочее напряжение высоковольтных диодов и транзисторов. Приводятся согласующиеся с экспериментальными измерениями эмпирические зависимости удельного сопротивления в электронном и дырочном кремнии от концентрации легирующих примесей и уровня электрического поля.

Время жизни носителей заряда используется в качестве параметра, характеризующего результирующий эффект генерации-рекомбинации в уравнениях непрерывности для электронов и дырок ФСУ. Для большинства режимов работы диодов и транзисторов доминирующим является механизм рекомбинации носителей через ловушки (центры рекомбинации). При высокой концентрации избыточных носителей заряда повышается вероятность 0;ке-рекомбинации. Особенное внимание уделено обсуждению статистики Шокли-Рида-Холла (ШРХ) рекомбинации через глубока уровни. Детально рассмотрены вопросы зависимости результирующего темпа рекомбинации от энергетического положения Ег рекомбинацнонного центра в запрещенной зоне полупроводника при низком (НУИ) и высоком (ВУИ) уровнях инжекции. Проводится анализ теоретических основ оптимизации быстродействия и рассеиваемой мощности в статическом и импульсном режимах работы биполярных структур с помощью введения рекомбинационных центров с заданными параметрами (концентрацией, энергетическим положением, сачением захвата). Приводятся эмпиричесшо зависимости времени жизни о соотношениях для ШРХ и Оже-рекомбинации от концентрации подвижных носителей и примеси в сильнолегированных областях для использования в программах численного анализа.

Проведен сравнительный анализ методов управления временем жизни в полупроводниковых приборных структурах: термической диффузии примеси и бомбардировки ■ частицами высоких энергий. Рассмотрены характеристики рекомбинационных центров, образуе-

мых в облученном кремнии (£-, А-, ^центров) и проведено сравнение с центрами, возникающими при введении рекомбинацион-ных примесей платины и золота. Делается вывод о преимуществах метода электронного облучения с точки зрения достижения малых токов утечки, высокой однородности в пространственном распределении времени жизни и простоты технологического процесса.

Приводится обзор известных программных средств для численного моделирования полупроводниковых приборных структур, в том числе, мощных диодов и транзисторов.

Проектирование современных диодов, транзисторов и интегральных схем требует одновременной оптимизации технологического (в том числе и радиационно-технологического) процесса, прибора и схемы. Наиболее перспективными с этой точки зрения являются системы смешанного приборно-схемотехнического анализа (СПСА), когда вместо электрических моделей приборных структур используются их точные физико-топологические модели. СПСА состоит в совместном решении ФСУ для описываемых приборных структур и схемотехнических уравнений, описывающих функционирование' электрической схемы, в которую включены анализируемые структуры. Методы СПСА дают возможность изучать физические процессы в приборных структурах непосредственно в реальных схемах их включения и с учетом внешних воздействий, включая радиационные.

Во втором разделе излагаются методики и принципы численного анализа биполярных полупроводниковых структур с помощью средств компьютерного моделирования. Численное решение ФСУ для анализа явлений и процессов в полупроводниковых структурах требует разработки сложных и больших программ даже в случае решения в одномернрм приближении. Однако, для исследования ряда явлений в р-п переходах можно решать уравнения, упрощенные для некоторых случаев. В частности, для случая ВУИ носителей заряда, который характерен для работы мощных диодов и транзисторов. В приближении квазинейтральности можно ограничиться рассмотрением процессов токопереноса в слабодегированной области структуры. Так, для р*п~ структуры при ВУИ распределение носителей заряда в слаболегированной п~ базовой области описывается уравнением

,2 с

р(х,0 р(х,0 1

<*х2 Ог3 фф О Л

о. (1)

Здесь О - коэффициент амбиполярной диффузии, т*^, - эффективное время жизни носителей заряда, учитывающее механизмы ШРХ и Оже-рекомбинации.

Граничные условия для уравнения (1)

ф(х,0 = «^-¿я/АрЧ , . (2)

<*х 2 к7>„

Для численного решения уравнений (1) с условиями (2) используется метод конечных разностей по неявной схеме. Для этого уравнение (1) заменяется разностным эквивалентом, где дискретизация проводится по пространственной и временной координатам. Решение разностного уравнения осуществляется методом "прогонки" с учетом граничных условий на левой и правой границах пГ области дпя электронной и дырочной компонент полного тока, а таюке с учетом известного начального распределения концентрации носителей заряда в слое. При решении задачи можно учесть пространственную неоднородность времени жизни носителей заряда как исходного, так и модифицированного в процессе радиационного облучения - отжига.

Решение уравнения (1) можно использовать для вычисления концентраций носителей заряда*. вольт-амперной характер; стики, процесса включения и выключения р*п~п* структуры, характерной для коллекторных переходов мощных высоковольтных транзисторов и высоковольтных импульсных дмодсз, изготавливаемых на основе зпитаксиальных п*п~ структур. На основании численных экспериментов получены распределения р(х, дпя различных толщин базовой п~ области, плотности прямого тока и соотношений параметров рекомбинации ШРХ и Оже.

Суммарное падение напряжение на диоде рассчитывается, исходя из составляющих его компонентов: 1) I/ +/Г, - напряжений на переходах р"п~ и п~п*\ 2) иь - напряжения на объемном сопротивлении базовой л" области; 3) и, - напряжения на ОПЗ перехода р*п при запирании диода.

Вычисление этих составляющих производится следующим образом.

Напряжения на переходах р*п~ и п"л+ определяется исходя из концентрации дырок р|х=0 и р\х=н на левой и правой границах базовой области.

N.

\

(4)"

При расчете напряжений по (3) и (4) следует учесть эффект СЗЗ при сильном легировании, приводящий к тому,'что значения л;2 и р,2 увеличиваются в ехр(ЛЕд/кТ) раз, где АЕд - эффективное сужение ширины запрещенной зоны. Эффект СЗЗ приводит к заметному уменьшению падения напряжения на переходах.

Напряжение на объемном сопротивлении базы рассчитывается численным интегрированием, исходя из распределения концентрации носителей заряда р(х, *). При высоком уровне инжекции концентрация избыточных носителей существенно больше равновесной и модулированное сопротивление базы Яь оказывается меньше, чем немодугированное при низком уровне инжекции. При расчете сопротивления базы учитывается снижение подвижности за счет ЭДР при высокой концентрации носителей заряда.

Для расчета переходного процесса установления напряжения на диоде при включении прямого тока вычисляется ипр(1) в результате решения задачи для нестационарного распределения носителей заряда. При решении задается закон изменения включающего тока во -времени. Начальный всплеск напряжения на диоде соответствует падению напряжения; на немодулированном сопротивлении базовой области. Длительность всплеска определяется исходным временем жизни носителей заряда и скоростью нарастания включающего импульса. Стационарное прямое напряжение, также зависит от времени жизни. При уменьшении времени жизни степень модуляции сопротивления базы уменьшается и прямое напряжение растет.

Процесс выключения структуры импульсом обратного тока ^ проходит в две стадии. На первой концентрация носителей заряда уменьшается, но по всей длине базовой области остается выше равновесной. Через некоторое время концентрация дырок вблизи рV перехода (и электронов вблйзи п'п перехода) становится меньше равновесной для. л~ области и начинается образование областей пространственного заряда на правой и левой границах базы. Падение напряжения на ОПЗ р+л~ перехода в несколько' раз больше, чем на

ОПЗ п'п* перехода, поэтому для расчета напряжения на структуре можно рассматривать лишь ОПЗ р*п перехода. Напряжение и3 на ОПЗ перехода находится из решения уравнения Пуассона

с!Е(х) _ _д_/ /у\ + Длгоритм вычисления напряжения на ОПЗ (/X

приспособлен для решения задачи методом Конечных разностей. По "'Мере вытягивания избыточных носителей заряда из средней области базы границы ОПЗ слева и справа сближаются. Это перемещение границ учитывается изменением Толщины Н квазинейтральной области базы в алгоритме решения задачи методом прогонки.

С помощью описанной моделирующей, программы осуществлен численный анализ измерения времени жизни в структурах с р-п переходами. Также проведена оценка возможности моделирования радиационных воздействий путем учета зависимости времени жизни от суммарной концентрации примеси;

Для анализа физических процессов в полупроводниковых структурах при произвольном уровне инжекции были применены СПСА ИСТОК-1 и ИСТОК-2. Эти системы предназначены для схемотехнического анализа электронных схем, содержащих описываемые одномерной или двумерной изотермической диффузионно-Дрейфовой моделью полупроводниковые структуры. В отличив от традиционных программ схемотехнического проектирования, в ИСТОКе приняты физико-топологмческиз модели биполярных или МДП полупроводниковых компонентов, что позволяет исследовать е.лия-ние изменения их внутренних электрофизических параметров на внешние электрические характеристики схемы. В системах ИСТОК решение макроскопических уравнений транспорта носителей заряда в полупроводнике также осуществляется методом конечных разностей. Ввод задания на расчет осуществляется путем компиляции предварительно сформированного файла-задания, записанного по определенным правилам. Во входном задании содержится подробное конструктивно-топологическое описание моделируемых полупроводниковых компонентов, описание моделируемой электрической схемы с указанием номиналов и параметров всех компонентов, а также перечень задаваемых для расчета физических эффектов из базовой библиотеки физических моделей. Библиотека включает в себя многоуровневую модель ШРХ и Оже-рекомбинацию, лавинное умножение, различные модели рассеяния носителей заряда (рассеяние на оптических фононах, РИП, ЭДР), а также модели эффектов высокого уровня легирования: СЗЗ и снижение кинетических коэффициентов и

времени жизни носителей заряда в областях сильного легирования. Программные системы ИСТОК не оперируют понятиями "транзистор", "диод" или какими-либо другими терминами, относящимися к конкретным Приборам. Входной информацией для них является описание слоев структуры со своими электрофизическими характеристиками. Информацию о том, как выполняют те или иные структуры схемотехнические функции, дают системы приборно-схедоотехнического анализа.

Выбор систем-для численного анализа должен производиться с учетом специфики анализируемого физического процесса и затрат вычислительного времени на решение задачи. Хотя использование двумерного моделирования всегда предпочтительнее, но затраты ьремени при этом оказываются существенно большими, чем для одномерной модели. Так, на расчет одной ВАХ транзистора при двумерном анализе на ЭВМ с процессором 486/160 МГц затрачивается около 15 минут. Одномерный анализ той же ВАХ происходит за 1 + 2 мин. По программе Анализ ВАХ диода рассчитывается за 15 20 секунд.

программные системы ИСТОК применены для проведения численных экспериментов по моделированию статических и динами* ческих параметров мощных диодных и транзисторных структур для различных электрических режимов и значениях модельных' параметров. Для них предложена также методика учета радиационных воздействий.

В третьем разделе дано описание методик, аппаратуры и объектов экспериментальных исследований.

Для измерения параметров постоянного тока (прямое напряжение, обратный ток, статический коэффициент усиления тока базы, напряжение коллектор-эмиттер в режиме насыщения) использованы методы Государственных стандартов и Технических условий на приборы конкретных типов. Часть измерений проводилась на оборудовании ОТК предприятия-изготовителя транзисторов КП 934.

Численный анализ приборных структур, описанный во втором разделе, проводился в предположении изотермичности всех активных областей. Поэтому для сравнения расчетных и экспериментальных ВАХ последние должны быть получены в условиях, когда разогрев приборов во время измерений минимален. Для максимальной реализации этого условия был разработан и изготовлен характе-риограф, который работает на однократном импульсе тока, пропус-

каемого через исследуемую структуру. Длительность импульса 10 мс, амплитуда тока до 20 А,, амплитуда напряжения - дс 20 В. Запись информации о ВАХ производится с помощью быстродействующего АЦП (частота квантования 1 МГц), соединенного с ЭВМ типа IBM PC/AT. За время Юме записывается до 1000 точек ВАХ и, кроме того, значение термочувствительного параметра (прямое напряжение на переходе) в течение 10 мс после окончания измерительного импульса ВАХ. Таким образом, оценивается нагрев структуры за время измерения ВАХ и корректируются значения измеренных параметров в соответствии с известными закономерностями их зависимости от температуры.

При решении задач моделирования возникает необходимость измерения времени переключения приборных структур из состояния прямого тока в запертое состояние. Из этих измерений делается оценка одного из важнейших параметров биполярной структуры -времени жизни неосновных носителей заряда. Для экспериментов было разработано устройство, позволяющее измерять время переключения в диапазоне прямого и обратного токов от 1 мА до 1 А и времени от 20 не до 50 мкс. Так как барьерные емкости мощных приборов могут быть значительными (до 1000 * 2000 пФ), в генераторе импульсов использованы комплементарные быстодействующие мощные ДМОП транзисторы. В соответствии с общепринятой методикой, амплитуды импульсов прямого и обратного токов установлены одинаковыми. Отсчет временных интервалов и тока переключения производится с помощью осциллографа. Для учета вклада в процесс переключения перезарядки барьерной емкости исследуемой структуры снимаются осциллограммы импульсов при подключении к измерителю емкостного эквивалента структуры - конденсатора. Ток перезарядки конденсатора далее вычитается из тока переключения исследуемого образца.

Для исследования характера распределения примесей в приборной структуре широко применяются измерения вольт-фарадных характеристик. Применительно к мощным диодам и транзисторам измерения ВФХ приходится проводить при больших (до нескольких сотен вольт) напряжениях на исследуемом приборе. Для экспериментов был разработан автоматизированный измеритель ВФХ. Он работает под управление'м ЭВМ и имеет цифро-аналоговый преобразователь с высоковольтным выходом для задания обратного напряжения на переходе. Это позволяет исследовать структуры, в частности,

высокоомных коллекторных областей транзисторов толщиной до 50 мкм.

Диапазон измеряемых емкостей - от 0 до 2500 пФ. Диапазоны измерения напряжения смещения ; - от 0 до 40,96 В ступенями Л = 40 мВ и от 0 до 819,2 В ступенями Д = 800 мВ. Предусмотрена индикация и программно управляемая защита структуры при повышении через нее тока утечки. Аналого-цифровой преобразователь, использованный в измерителе, позволяет записывать 1024 точки ВФХ в течение 20 секунд. Обработка ВФХ производилась по известным методикам. В частности, для расчета концентрации легирующей примеси использовались выражения

Ы{х) = -Сг{и)1цАгт>^Ш1-, (5)

аи

х(и) = Асеь1С(и). (6)

Для уменьшения погрешности численное дифференцирование С(и) ведется с учетом значений емкости при нескольких предыдущих и последующих значениях напряжения смещения.

Для исследования электрофизических характеристик радиационных .дефектов в работе применялся метод релаксационной спектроскопии глубоких уровней (РСГУ). Для экспериментов был модернизирован измеритель релаксаций емкости, разработанный ранее на кафедре ППЭ и ФПП МИСиС. Заново разработан широко-ди '.пазонный измерительный мост с автоматическим балансом емкостной составляющей полного сопротивления исследуемой структуры. Диапазон емкости структур - от 0 до 2000 пФ, что позволяет изучать активные области мощных диодов и транзисторов, имеющих большие значения барьерной емкости. Автоматический баланс моста достигается за время около 100 мс, что позволяет на протяжении одного температурного сканирования изменять режимы заполнения ловушек с целью изучения пространственного распределения дефектов и измерения сечений захвата носителей заряда. Встроенный в прибор генератор импульсов позволяет программно-аппаратным путем задавать длительность, форму и амплитуду заполняющих импульсов, параметры временных окон регистрации сигналов РСГУ. Обработка сигналов релаксации емкости производится по методике Лэнга. С помощью аналого-цифрового преобразователя в управляющую ЭВМ передаются сигналы РСГУ для двух временных окон, информация о температуре образца, значении его емкости, значении

dCIdU в режиме измерения профиля концентрации. Прибор обеспечивает измерение и регистрацию температуры ч диапазоне (-200+ 100) °С, чувствительность к содержанию примесей с глубокими уровнями до 10"5 от концентрации основной легирующей примеси.

Опыт использования описываемых приборов показал, что они могут эффективно применяться для измерений параметров и характеристик приборных структур различных типов. Все измерительные приборы активно используются в учебном процессе кафедры полупроводниковой электроники и физики полупроводников МИСиС.

Облучение исследуемых' образцов электронами с энергией 6 МэВ проводилось на линейном ускорителе ЭЛУ-6. Температура приборов при облучении не превышала (40 + 50) °С. Разброс плотности потока электронов в зоне облучения не превышает 30%. Точность измерения потока электронов не хуже 5%.

Отжиг приборов после облучения проводился в трубчатой электрической печи в атмосфере азота. Суммарная погрешность определения температуры отжига, обусловленная измерением и неравномерностью теплового поля, составляла ± 5%. Перед измерениями параметров приборы выдерживались в течение суток при комнатной температуре.

Основные результаты экспериментов и расчетов были получены для транзисторной структуры КП934, работающей в режиме биполярного транзистора. Этот транзистор обладает хорошей совокупностью статических и динамических параметров: большой коэффициент усиления тока базы (до 250 единиц;, высокая граничная частота (до 100 МГц), малое остаточное напряжение в отпертом состоянии (0,7 В при /с = 10А), сравнительно высокое быстродействие (время нарастания и спада тока не более 200 не) и высокое напряжение на коллекторе (до 400 + 500 В). В то же в, емя, за счет большой протяженности эпитаксиального слоя коллектора,- время рассасывания носителей заряда составляет 2,5 мке й может быть значительно снижено операциями облучения-отжига. Кристаллы транзисторов изготавливаются на основе зпитаксиальной структуры 45КЭФ17/380КЭС0,01. Толщина зпитаксиальной пленки легированной фосфором 45 мкм, удельное сопротивление 17 0мсм. Размеры кристалла - 3,3 х 4,0 мм, толщина - 200 мкм, эффективная площадь структуры 0,12 см2. База и эмиттер создаются диффузией примеси черёз маски из диоксида-нитрида кремния. Глубина диффузии бора в базовой области - 3 мкм; диффузии фосфора в эмиттере - около 1 мкм. Межсоединения отдельных фрагментов делаются алюминие-

вой металлизацией толщиной 5 мкм с подслоем молибдена. Фактически. базовая'область под эмиттером формируется за счет боковой диффузии из соседних с эмиттером базовых полосок. Толщина активной базы неодинакова по сечению структуры. Вследствие этого, для ряда вычислений необходимо двумерное моделирование структуры.

Для сравнительных оценок исследовались также транзисторы типов КТ8114, КТ847, аналогичные по назначению КП934. Эксперименты и расчеты проводились также с диодными структурами типов КД209, КД105,. КД257 и некоторых других высоковольтных выпрями-, тельных и импульсных диодов. Все эти структуры сходны по технологии изготовления методом диффузии на кремнии п- типа с удельным сопротивлением 10 + 50 Ом-см. Со стороны р-п перехода двукратной диффузией создаются р* и р области, со стороны контакта к базовой области диффузией образуется п* область. Размеры слоев и концентрации легирующих примесей выбирались исходя из требований к электрическим параметрам диодной структуры и на основании конструкции приборов данного типа.

В четвертом раздело приведены результаты экспериментальных исследований, численного анализа статических и динамических параметров мощных биполярных диодов и транзисторов, а также рассмотрены задачи оптимизации параметров радиационными воздействиями.

С помощью аппаратуры и методик, описанных в(третьем разделе были измерены статические ВАХ, коэффициент усиления по току, остаточное напряжение коллектор-эмиттер в режиме насыщения, определены сопротивления областей коллектора, эмиттера и базы, характерные времена рассасывания и спада, граничная частота транзисторов КП934. Экспериментальные результаты были использованы при определении параметров модели структуры КП934 для численного анализа.

Для определения параметров эпитаксиального слоя измерялись ВФХ коллекторного перехода транзисторов при обратных напряжениях на переходе до 600 В. Из данных ВФХ был рассчитан профиль распределения примеси в эпитаксиальном слое. Резкий подъем концентрации наблюдается на расстоянии 37-г-38 мкм от металлургической границы перехода коллектор-база. По измерениям ВФХ в диапазоне обратных напряжений 0 + 3 В были рассчитаны значения контактной разности потенциалов переходов <рсе и <рсе. Для

колпекторного перехода получено значение ^>сс = О.бГЗ В в предположении, что Ссв = Ссв(0К1 + С/обр/<рсс)~хгг. Расчет контактной разности потенциалов эмиттерного перехода дает значения <рсе, существенно превышающие энергетическую ширину запрещенной зоны. Этот результат объясняется наличием на границе эмиттерного перехода достаточно толстого (доли микрометра) слоя полупроводника с проводимостью, близкой к собственной (/' - слоя), образующегося как следствие взаимной компенсации донорной и акцепторной примесей. Численный анализ показывает, что наличие этого слоя практически не влияет на ВАХ и усилительные свойства транзисторов исследуемого типа.

Для разработки модели радиационного воздействия были проведены исследования электрофизических характеристик радиационных дефектов, образующихся в результате электронного облучения и последующего термического отжига. С помощью метода РСГУ исследовались спектры глубоких уровней, образующихся в коллекторной области транзисторов КП934 на разных этапах эксперимента. Запись спектров проводилась в режимах с инжекцией и без инжекции неосновных носителей заряда. Вклад в релаксацию емкости давали центры, расположенные на расстоянии 6 + 10 мкм от границы перехода. До облучения электронами в спектрах исследуемых приборов максимумов от "врожденных" центров не обнаружено. Исходя из чувствительности метода можно утверждать, что концентрация "врожденных" центров составляет менее 2,5-Ю11 см"3. Анализ спектров после облучения и отжига показывает, что в структуре появляются радиационые центры с энергетическими уровнями Ес-0,17эВ (А - центр), £с - 0,4 эВ (дивакансия), Ёс - 0,3 эВ, Е„ + 0,33 эВ (уровни, обусловленные наличием легирующей примеси). Был1. определены' относительные концентрации центров и сечения захвата на них носителей заряда. Установлена пропорциональность количества вводимых центров потоку облучения. Так, относительная концентрация центров Ес - 0,4 эВ погле облучения потоком Ф, электронов и отжига в течение 4 часов при 550 К равна = КотЖ-Ф», значение

К™* 3,5-10"'9 см"2

Совместное действие всех центров определяет эффективное время жизни носителей заряда в облученной структуре. Для определения численных значений параметров модели радиационного воздействия, изложенной в разделе 2, сделан анализ экспериментальных зависимостей коэффициента усиления тока базы транзистора и времени выключения коллекторного перехода от потока облучения.

Та и другая зависимости хорошо соответствуют модели Мраа = А/о.л(Фе/3-Ю12)0,7, где Ыряд - суммарная концентрация примеси (нейтральной), введение которой эквивалентно по снижению времени жизни в данной области с легированием Ы0,а облучению потоком электронов Фе. Модель предполагает диапазон потоков облучения от 1012 до 1015см~г, диапазон основного легирования активной области от 10й до 1017см~3. Для моделирования изменения концентрации основных носителей заряда при облучении используется выражение п(Фе) = п(0)-ехр(-5-10",-Фе/п(0)).

! Для проверки правильности работы предложенной модели были рассчитаны и сравнены с экспериментальными основные параметры и характеристики транзисторов необлученных и после радиационного воздействия. Во всех случаях получено хорошее соответствие расчета и эксперимента.

. С помощью численного двумерного и квази-двумерного моделирования анализировались также эффекты, связанные с неоднородностью толщины базы транзистора и оттеснения тока к периферии эмиттерного перехода. Установлено, что в результате облучения должно происходить "обратное" перераспределение (выравнивание) тока между центральными и периферийными областями эмиттера, обусловленное "спрямлением" ВАХ перехода при большой плотности тока. Вычислительный эксперимент проводился также для анализа эффекта Кирка-Федотова, связанного с расплыванием базы в сторону коллектора у СВЧ мощных транзисторов. Анализ результатов показывает, что численный расчет качественно согласуется с экспериментальными зависимостями и может применяться для оптимизации свойств мощных транзисторных структур для диапазона СВЧ.

При отработке процесса облучения-отжига возникают вопросы влияния тех или иных радиационных центров на параметры обработанных приборов. С помощью одноуровневой и многоуровневой моделей ШРХ, заложенных в систему ИСТОК, был проведен анализ зависимостей статических и динамических параметров транзистора от энергетического положения и других характеристик радиационных центров.

Расчет показывает, что обратный ток через переход обусловлен действием центров с уровнями, близкими к середине запрещенной зоны. Так, вклад в обратный ток от А - центра на два порядка меньше, чем от присутствия дивакансии. Получены расчетные зависимости параметров структур от дозы облучения, предназначенные для выбора оптимального сочетания параметров, в частности,, вре-

мени выключения и прямого напряжения при работе приборов в импульсном режиме.

Проведен сравнительный анализ оптимизации свойств диодных структур методами локального облучения (в частности, альфа-частицами) и общего облучения (электронного или гамма). Показано,, что локальное и общее облучение приводят практически к одинаковым результатам снижения времени выключения при допустимом увеличении прямого напряжения. Однако, за счет более длительного процесса извлечения накопленного заряда рассеяние энергии в локально облученной структуре почти в 2 раза больше, чем при общем облучении.

Проведена расчетная и экспериментальная оценка режима переключения и рассеиваемой мощности в транзисторах КП934 на примере работы в схеме с резистивно-мндуктивной нагрузкой. Результаты расчета показывают, что выделяемая в транзисторе мощность уменьшилась от уровня 1,2 Вт для исходной структуры до 0,5 Вт для структуры после облучения электронами с энергией 6 МэВ, 5-1013 см"2. Экспериментальная оценка рассеиваемой мощности проводилась по измерению температуры корпуса транзистора. Нагрев необлученного транзистора составляет 70 °С, облученного - 42 °С. Экспериментально определенная температура согласуется с рассчитанными значениями мощности (тепловое сопротивление транзистора в металлостеклянном корпусе приблизительно равно 30 °С/Вт). Снижение температуры транзистора на 30 °С повышает надежность его работы почти на порядок.

В заключении сформулированы основные выводы по работе.

1. Разработана программа Анализ для числен юго расчета одномерных полупроводниковых структур при высоком уровне инжек-ции, позволяющая анализировать влияние времени жизни носителей на статические и динамические характеристики приборов.

2. Для анализа радиационных воздействий при произвольном уровне инжекции предложена методика использования программ СПСА ИСТОК с возможностью двумерного моделирования полупроводниковых структур.

3. Для программ численного анализа предложена методика учета радиационных воздействий, основанная на введении дополнительной зависимости времени жизни носителей от суммарной концентрации примесей в активных областях структуры. По результатам эксперимента получены численные значения параметров модели для

диапазона потоков (1013 + 1015)см~2 облучения электронами с энергией (2 + 10) МэВ.

4. Проведен анализ зависимости параметров прямой ВАХ . диодной структуры от энергетического положения рекомбинационного уровня с использованием многоуровневой модели рекомбинации-генерации. Показано, что при большой плотности прямого тока (>10 А/см2 при легировании эпитаксиального слоя базы 4-10исм~3 (фосфор)) эффективными являются все вводимые облучением дефекты. При малом уровне инжекции (< 1 А/см2) оказываются эффективными дефекты с уровнями £с-0,3, Ес - 0,4, £у + 0,33 эВ.

5. Установлено, что коэффициент передачи тока базы транзистора со структурой БСИТтипа КП934 при плотности тока коллектора свыше 10 А/см не зависит от энергетического положения рекомбинационного центра и определяется инжекционной способностью эмит-терного перехода. При малом уровне инжекции (< (1-г-3) А/см2) эффективными центрами рекомбинации, определяющими значение Лгь," являются дефекты с уровнями, лежащими вблизи середины запрещенной зоны.

6. Установлено, что время выключения диодной структуры определяется наличием всех вводимых облучением центров. Однако, характер зависимости времени выключения от тока для разных центров отличается. Для центров £с -0,17 эВ время выключения растет с уменьшением тока, а для центров £с-0,4, £с-0,3 и 0,33 эВ падает. Определены соотношения параметров радиационных центров, при которых результаты расчета соответствуют наблюдаемым экспериментально зависимостям времени выключения от тока!

7. Показана возможность Применения программ численного анализа для исследования влияния слоев структуры с аномальными свойствами (в частности, /-слоя на Границе сильно легированных областей п*-р эмиттерного перехода) на параметры и характеристики ' приборов. Установлено, что / -слой толщиной до 0,5 мкм в эмиттере

. мощного транзистора обнаруживается лишь в аномалии вол(эт-фарадной характеристики перехода, но не влияет на усилительные свойства и ВАХ прибора.

8. Получены расчетные зависимости параметров структур от дозы облучения, предназначенные для выбора оптимального сочетания параметров. В частности, времени выключения и прямого напряг жения при работе приборов в импульсном режиме.

, 9. Проведен сравнительный анализ оптимизации свойств диодных структур методами локального облучения (в частности,

альфа-частицами) и общего облучения (электронного или гамма). Показано, что локальное и общее облучение приводят практически к одинаковым результатам снижения времени выключения при допустимом увеличении прямого напряжения. Однако, за счет 6ohee длительного процесса извлечения накопленного заряда рассеяние энергии в локально облученной структуре больше, чем при общем облучении. Делается вывод о целесообразности использования общего облучения для оптимизации параметров структур высоковольтных импульсных диодов.

10. Обоснована методика определения эффективного (суммарного) времени жизни в структуре т^рф при радиационных технологических обработках, по измерениям длительности фазы высокой проводимости перехода при выключении.

. 11. Разработаны и изготовлены макеты автоматизированных на основе ЭВМ установок релаксационной спектроскопии глубоких уровней, снятия вольт-фарадных и вольт-амперных характеристик, которые могут бьггь эффективно использованы в экспериментальных исследованиях приборных структур различных типов.

12. Выполнен расчет статических и динамических параметров транзисторной структуры БСИТ КП934 в зависимости от дозы электронного облучения для выбора оптимального сочетания параметров по критерию рассеиваемой в приборе мощности в импульсном режиме. Показана возможность снижения рассеиваемой мощности в транзисторе, работающем в схеме с индуктивно-резистивной нагрузкой, типичной для генераторов развертки, ключевых стабилизаторов напряжения, импульсных источников вторичного электропитания.

Основные результаты диссертационной работы изложены в следующих публикациях:

1. Горюнов H.H., Паничкин A.B., Клебанов М.П. Диагностика КМДП интегральных схем по низкочастотным шумам // Материалы докладов н.-т. семинара "Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах", - М.: МНТОРЭС им. АС.Попова, 1994, в.

2. Горюнов H.H., Клебанов М.П., Паничкин AB. Деградация электрофизических характеристик мощных МДП транзисторов при гамма-облучении II Материалы докладов н.-т. семинара "Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах", - М.: МНТОРЭС им. АС.Попова, 1995;

3. Ладыгин ЕА, Клебанов М.П., Горюнов H.H. Исследование режимов переключения мощных транзисторов после облучения электронами и отжига // Вопросы атомной науки и техники, серия "Физика радиационных воздействий на р/э Аппаратуру", вып. 3-4, 1995, с. 102-103.

4. Ладыгин Е.А., Клебанов М.П., Горюнов H.H. Моделирование радиационно-технологических воздействий на структуры мощных биполярных транзисторов II Вопросы атомной науки и техники, серия "Физика радиационных воздействий на р/э аппаратуру", вып. 3—4, 1995, с. 98-101. s

5. Клебанов М.П. Устройство для измерения времени переключения биполярных полупроводниковых приборов II Электронная промышленность, № 2, 1996, с. 28.

6. Ладыгин Е.А., Клебанов М.П., Горюнов H.H., Чарыков НА Радиационная оптимизация параметров мощных биполярно-полевых транзисторов II Материалы докладов н.-т. семинара "Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах", - М.: МНТОРЭС им. A.C.Попова, 1997, с. 266-269.

7. Горюнов H.H., Клебаной М.П., Осипов Р.Ю. Измеритель релаксаций емкости для исследования параметров дефектов в полупроводниках // Приборы и техника эксперимента, № 2, 1997, с. 163164.

Подписано в печать Объем 1 п. л. Заказ __ Тираж 100 экз

Московский государственный институт стали и сплавов 117936, Москва, Ленинский пр-т, 4 Типография МИСиС, Орджоникидзе 8/9