Радиационные эффекты в активных областях кремниевых фотоприемных структур тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

На правах рукописи

ТАПЕРО ТАТЬЯНА ЮРЬЕВНА'

РАДИАЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ В АКТИВНЫХ ОБЛАСТЯХ КРЕМНИЕВЫХ ФОТОПРИЕМНЫХ СТРУКТУР

Специальность 01.04.10. - Физика полупроводников и диэлектриков

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1997 г.

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

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

Официальные оппоненты: доктор технических наук Емельянов Аркадий Владимирович, кандидат технических наук Хорохина Людмила Николаевна.

Ведущее предприятие: Научно-производственный центр "Оптекс", г.Зеленоград

Защита диссертации состоится 1г<И на заседании диссерта-

■ цношюго совета Д.053.08.06. при Московском государственном институте стали и сплавов (технологический университет) по адресу: 117936, Москва, ГСП-1 Ленинский проспект, д.4.

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

Автореферат разослан " 0 ^шии 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук, доцент

Гераськин В.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность работы. Широкое применение изделий оптоэлектроники, и в частности, кремниевых фотоприемников, в условиях воздействия ионизирующих излучений поставило перед специачистами проблему исследования их радиационной стойкости. Одно из практических направлений таких исследова- , ний - разработка методов оценки изменения электрических параметров полупроводниковых приборов при воздействии ионизирующих излучений В процессе облучения параметры кремниевых фотоприемников претерпевают суще--ственные изменения вследствие возникновения различного рода радиационных дефектов в их активных и пассивных областях, изменяющих корДентрацшо, подвижность и время жизни носителей заряда. Эффективность радиационного воздействия в большой мере зависит от степени совершенства исходных материалов, характера легирования, структуры р-п-перехода, от особенностей протекания физических явлений, на использовании которых основаны принципы работы приборов, от их геометрии и конструктивных особенностей. Поэтому задача исследования изменения характеристик кремниевых фотоприемных уг*-ройств под действием различных видов проникающей радиации представляется весьма актуальной.

Надежность современных полупроводниковых приборов и интегральных микросхем в зависимости от условий эксплуатации оценивается по уровням интенсивности отказов в пределах КГ'-КГ'ч"1. Перспективные требования по надежности приборов, предназначенных для использования в аппаратуре космических объектов длительного существования достигают по интенсивности отказов величины порядка 1б~10 ч"1. Подтверждение столь высоких значений надежности прямыми статистическими испытаниями практически невозможно. Прямые испытания приборов экономически не выгодны, так как требуют огромных затрат оборудования, приборов и энергоресурсов. Одним из выходов из создавшегося положения является разработка методов ускоренных испытаний на надежность, а также методов индивидуального прогнозирования надежности-изделий электронной техники, и в частности фотоприемных устройств. В этой

связи в настоящее время большое внимание уделяется изучению радиационно-термических воздействий на полупроводниковые материалы и приборы. В этом случае ионизирующее излучение может служить фактором, ускоряющим процессы деградации и способствующим проявлению скрытых дефектов, невыяв-ленных на выходном контроле. Все это также обуславливает актуальность проведения исследований по выбранной тематике.

На основании вышесказанного, г. данной диссертационной работе была поставлена цель, во-первых, экспериментально исследовать изменение основных электрофизических характеристик исследуемых оптоэлектронных приборов при радиационном облучении и термическом отжиге, во-вторых, разработать методику проведения ускоренных испытаний приборов с применением радиационного облучения, и в-третьих, разработать модель, позволяющую прогнозировать изменение основных информативных параметров приборов при облучении.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи.

1) Провести сравнительный анализ физических процессов, протекающих в кремниевых фотоприемных структурах при воздействии различных видов ионизирующих излучений, а также оценить эффективность этих воздействий на исследуемые приборы.

2) Установить закономерности изменения основных параметров и характеристик приборов при облучении и определить предельную дозу облучения, при которой значения параметров выходят за нормы технических условий.

3) Провести анализ кинетики накопления и энергетического спектра глубоких радиационных центров в базовой области исследуемых структур, а также установить взаимосвязь скорости изменения электрических параметров и концентрации глубоких радиационных центров.

4) Разработать методику для выявления структур со скрытыми технологическими дефектами с помощью тестового радиационного облучения и термического отжига применительно к структурам фотоприемников ФД-141.

♦

5) Разработать методику прогнозирования изменения основных информативных параметров в зависимости от энергии ионизирующего излучения для • исследуемого класса полупроводниковых приборов.

Для успешного решения поставленных задач необходимо провести исследование радиационных процессов в фотоприемниках и фотодиодах в широком диапазоне потоков быстрых частиц и экспозиционных 'доз гамма-излучения. Так, для разработки методики радиационной отбраковки потенциально ненадежных структур целесообразно проводить облучение небольшими потоками (1012 1014 см"2). При исследовании предельной радиационной стойкости и соответствующих изменений основных характеристик приборов, необходимо увеличить интегральные потоки частиц до 1016 см"2 и дозу гамма-квантов до 1015 Гр. На основании этого при проведении экспериментальных исследований в данной работе интегральные потоки ионизирующих излучений изменялись в пречелах отЮ12 до 1016 см~2, а доза гамма-кваэтов - от5'102 до 10й Гр.

Для выявления общих закономерностей и специфики поведения параметров приборов при воздействии радиации были исследованы приборы четырех конструкптно-технолоппеских вариантов. V

Научная новизна полученных в данной работе результатов заключается ч следующем:

- обнаружено, что при облучении всех исследуемых типов кремниевых фотоприемников (ФД-141, ФД-137, ФД-23К, У82А) гамма-квантами изменение их параметров в основном обусловлено поверхностными радиацнон ымг эффектами, в то время как при электронном облучении определяющую роль играют процессы накопления глубоких центров в объеме кремния;

- на основании результатов исследований изменения прямых вольт-амперных характеристик (ВАХ) и спектров фоточувствительности показано, что при электронном облучении потоками ^ 2-1014 см"2 определяющую роль в изменении электрических и оптических параметров фотоприемников играют процессы в области р-п-перехода, а при больших потоках доминируют процессы в базовой области;

- определены уровни критических доз (потоков) облучения, которые приводят к резкому изменению электрофизических параметров фотоприемных структур,

- обнаружено, что при облучении р+-п-структур фотодиодов ФД-23К в базовой области преимущественно образуются глубокие радиационные центры с энергетическим положением Ес-0,22, Ес-0,36, Ес-0,44 эВ;

- показано, что с помощью облучения п+-р структур фотоприемников ФД-141 небольшими потоками электронов (1013см~2) можно исправить параметрический брак, по уровню темнового тока;

- разработана расчетная методика прогнозирования изменений основного информативного параметра фотоприемников (темнового тока) при облучении быстрыми электронами различной энергии;

- разработана расчетная методика оценки концентрации радиационных центров в базе фотоприемных структур.

Практическая полезность работы заключается в следующем:

1) Результаты работы вошли в отчетные и методические материалы по НИР "Юпитер-1", принятой заказчиком (в/ч 67947).

2) На основе полученных экспериментальных зависимостей темнового то. ка фотодиодных структур четырех типов от потока облучения, установлены

уровни их предельной^адиационной стойкости.

3) Показана эффективность метода индивидуального прогнозирования надежности фотоприемников с применением облучения интегральными потоками электронов и гамма-квантов для приборов ФД-141.

4) Разработана радиационная методика выявления и отбраковки структур, содержащих скрытые технологические дефекты, с помощью тестового электронного облучения электронами (с энергией 1-6 МэВ) и последующего термического отжига;

5) Разработана методика восстановления параметрического брака по уровню темнового тока для приборов ФД-141.

Основные результаты выносимые на защиту:

»

1) Результаты исследовании изменений темпового тока кремниевых фотоприемников четырех типов при воздействии электронного и гамма-излучеННй в широком диапазоне потоков (доз).

2) Результаты исследований вольт-амперных, вольт-фарадных характеристик и спектров фоточувствителыюсти фотодиодных структур четырех типов на различных этапах облучения и отжига. ,

3) Результаты исследовагом кинетики радиационного дефектообразования в базовой области кремниевых фотоприемников ФД-23К методом релаксационной спектроскопии глубоких уровнен (РСГУ).

4) Результаты радиационной отбраковки приборов ФД-141, содержащих скрытые технологические дефекты.

5) Методика оценки концентрации радиационных центров в базе фотодиодных структур на основе экспериментальных вольт-фарадных характеристик. ^

6) Методика прогнозирования изменений основных- параметров исследуемых приборов при облучении электронами различных энергий.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 4 Межотраслевой научно-технической конференции "Надежность и контроль качества изделий электронной техники" (Звенигород, 3-17 июня 1993 г.), на Межрегиональной научно-технической конференции "Комплексное математическое и физическое моделировАние, обеспечение надежности электронных приборов и аппаратуры" (Бердянск, 5-10 сентября 1994 г.), на ежа год-' ном научно-техническом семинаре "Шумовые и деградацнонные процессы в полупроводниковых приборах (метрология,'диагностика, технология)" (Москва, 28 ноября-1 декабря 1994 г.).

Публикации. По материалам диссертации в различных изданиях опубликовано б.работ. •

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и трех приложений с общим объемом 155 страниц, в том числе 40 рисунков, 8 таблиц и список используемой литературы из 76 наименований. '

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность темы исследований, сформулирована цель и задачи диссертационной работы, отмечена научная новизна и практическая полезность работы', изложены основные положения, выносимые на защиту. ■

В первой главе на основе анализа отечественных и зарубежных работ показано, что работа исследуемых фотоприемников сильно зависит от степени совершенства исходных материалов, характера легирования, структуры р-п-перехода, от геометрии и конструктивно-технологических особенностей. Применение кремниевых фотоприемников в условиях воздействия ионизирующих излучений приводит к возникновению различного рода радиационных дефектов, вследствие чего параметры и характеристики фотоприемных структур претерпевают существенные изменения. В связи с этим, особое внимание уделяется описанию механизмов образования радиационных дефектов в полупроводниках. Во многих работах указывается, что в облученных монокристаллах кремния п-типа, легированного фосфором и полученного методом зонной плавки в вакууме возможно образование Е-центра, который представляет собой ассоциацию вакансии с атомом фосфора и вносит акцепторный уровень, расположенный на 0,4 эВ ниже дна зоны проводимости. При облучении кремния ■ возможно также накопление радиационных дефектов типа дивакапсий. Дива-кансия может, в зависимости от зарядового состояния, вносить в запрещенную зону кремния три локальных уровня - два акцепторных и один донорный. В зависимости от вида и энергии излучения одному и тому же энергетическому уровню могут соответствовать различные по природе радиационные центры. Основными радиационными центрами в кремнии, стабильными в интервале рабочих температур кремниевых приборов (-60 - +125°С), являются:

- в кремнии п-типа - акцепторные центры Ес-0,17 эВ (А-центр), Ес-0,40 эВ (Е-цеитр), Ес-0,40 эВ (дивакансия), Ес- 0,54 эВ (дивакансия), донорные центры Ес- 0,21 эВ (кислород + дивакансия), Е, + 0,28 эВ (дивакансия);

- в кремнии р-тнпа - акцепторные центры Ес-0,40 эВ (дивакансия), Ес-0,17 эВ (А-центр), ЕУ + 0,45 эВ (бор + вакансия), Ес-0,54 эВ (дивакансия), до-

норные центры Е„ + 0,30 зВ (К-центр), + 0,21 эВ (бор+дивакансия), ЕУ + 0,35 эВ (кислород+дивакаксия), 0,28 эВ (дивакансия).

Из электрофизических параметров кремния, наиболее существенно при любом виде проникающей радиации изменяется время жизни неосновных носителей тока, менее существенно - концентрация и подвижность свободных носителей тока. Глубокие уровни радиационных центров в германии и кремнии являются эффективными центрами рекомбинации, вследствие чего при облучении в первую очередь наблюдается уменьшение времени жизни неосновных носителей тока. Время жизни быстрее изменяется у низкоомного кремния, а также при пониженных температурах облучения. Введение радиационных дефектов в кремний способствует уменьшению концентрации свободных носителей заряда, которая по мере роста дозы облучения приближается к собственной. Из экспериментов известно, что число удаленных носителей заряда для небольших доз облучения пропорционально интегральному потоку бомбардирующих частиц. В кремнии, вне зависимости от типа проводимости, удельное сопротивление при облучении растет, стремясь к значению удельного сопротивления в собственном материале. 1

В большом количестве работ, целью которых было исследование радиационной стойкости полупроводниковых диодов и поиск технических путей ее повышения, было теоретически показано и экспериментально подтверждено, что независимо от вида проникающего излучения в диодных структурах при облучении наблюдаются качественно общие закономерности: основные йзме-' нения происходят в прямой ветви вольт-амперной характеристики - возрастает прямое падение напряжения и^, при фиксированном прямом токе 1пр. На обратной ветви вольт-амперной характеристики диода основным параметром на участке до наступления пробоя является обратный ток при некотором фиксированном обратном смещении. При облучении- с ростом интегрального потока излучения обратный ток р-н-перехода возрастает. Радиационные изменения полного обратного тока в кремнии определяются изменением скорости генерации носителей в области пространственного заряда. В р+-п-струкгурах скорость роста обратного тока в начальный момент воздействия радиации значительно ниже, чем в п+-р-структурах. Это связано с тем, что лтя создания инверсионного ,

слоя в слаболегированной р-области п+-р-струкгуры необходимо накопление меньшего положительного объемного заряда.

При воздействии радиации емкость диодной структуры уменьшается и в пределе перестает зависеть от напряжения. Регистрация изменений барьерной емкости р-п-перехода при подаче внешнего смещения позволяет судить об энергетическом положении и концентрации глубоких уровней в запрещенной зоне полупроводника. Этот принцип лзжит в основе релаксационной спектроскопии глубоких уровней (РСГУ), физические основы которой также приведены в первой главе.

Особое внимание уделено проблемам надежности и контроля качества приборов электронной техники. Описаны свойства, определяющие качество продукции. Показаны возможные пути снижения трудоемкости испытаний на надежность изделий электронной техники. Представлены некоторые методы статистической обработки и способы графического представления результатов испытаний на надежность.

В заключении первой главы сделаны выводы и сформулированы задачи и этапы исследования.

Во второй главе приведено описание выбранных объектов исследования, . методик проведения радиационной и термической обработок, методик и аппаратуры для экспериментальных исследований, алгоритмов расчета и анализа основных источников погрешностей при оценке электрофизических и электрических параметров облученных структур.

Для проведения экспериментальных исследований были выбраны следующие образцы.

1. Фотоприемник ФД-141, представляет собой структуру из Четырех фо- . тодиодов с охранным кольцом. ФД-141 были изготовлены диффузией фосфора

и бора в пластины высокоомного кремния р-типа, толщиной 300-350 мкм, с удельным сопротивлением свыше 10 кОм-м.

2. Фотоприемник ФД-137 состоит из четырех фотодиодов. Он изготовлен на основе кремния, имеет базу п-типа с концентрацией порядка 10псм~3 легированную фосфором и область р+-типа с концентрацией носителей порядка

1019см~3, легированную бором. Легирование осуществлялось диффузионным методом. .' ■

3. ФД-23К - кремниевый фотодиод, изготовленный диффузией фосфора и бора в пластины высокоомного кремния п-типа, толщиной 300 - 350 мкм. Концентрация основных носителей заряда в области п-типа составляет ~1013 см"\ концентрация в области р-типа - 1015 см"3.

4. У82А - кремниевый планарный фотодиод в пластмассовом корпусе предназначен для работы в бытовой аппаратуре, изготавливаемой для народного хозяйства. Фотодиоды У82А имеют структуру п+-р-типа с защитным диэлектриком из БЮг на который нанесен слой фосфоросиликатного стекла (ФСС). Приборы изготовлены диффузией фосфора и бора в пластины высокоомного кремния р-типа, толщиной 300 - 350 мкм.

Облучение быстрыми электронами с энергией 6 МэВ проводилось' на ускорителе электронов ЭЛУ-6 интегральными потоками от 10й до 10,6см"2. Температура образцов при облучении не превышала 310 К.

Облучение гамма-квантами Со60 проводилось на установке МРХ-у-100 в диапазоне доз от 5-Ю2 до 106 Гр. Источник Со60 имеет период полураспада 5,3 года, энергия кванта составляет 1,25 МэВ.

Термический отжиг облученных структур проводился при Т = 428±5 К. в атмосфере воздуха в прямонакальной печи У52.

Испытания на долговечность проводились при температуре 358 К и подаче на р-п-переход обратного смещения и = -10 В в течение 1100 часов.

В целях исследования влияния радиационного облучения на основные электрофизические параметры и характеристики описанных выше приборов проводилось измерение прямых и обратных вольт-амперных , характеристик, вольт-фарадных характеристик, спектров РСГУ и спектров фоточувствнтель-ности. -

Так как в фотоприемниках ФД-141 со структурой п+-р-типа в результате экстракции бора из исходного кремния растущей окисной пленкой БЮг и положительного заряда этой пленки под слоем окисла в высокоомном кремнии р-типа индуцируется канал п-типа, шунтирующий сегменты и "кольцо", при чз-

мерении обратного темпового тока этих приборов обратное напряжение подавалось на все сегменты и охранное кольцо одновременно, что позволяет минимизировать влияние тока утечки на обратный темновой ток.

Снятие вольт-фарадных характеристик осуществлялось с помощью измерителя емкости ИЕ-95. Отсчет значений емкости и напряжения смещения производится по встроенной шкале. Питание прибора осуществляется от сети пе-

*

ременного тока напряжением 220 В. Погрешность измерении не более ±1% измеряемой величины. Из измеренных вольт-фарадных характеристик определялся характер р-п-перехода, а также определялась концентрация носителей заряда в базе в случае резкого перехода и градиент концентрации - в случае линейного

При измерении спектров фоточувствительности использован принцип синхронного фоточувствительного детектирования, который позволяет регистрировать слабые сигналы на фоне шумов и увеличивать, чувствительность радиоизмерительной схемы. Максимальная чувствительность установки по напряжению равна 5 ■ 10'8 В при входном сопротивлении RBX = 10 кОм.

Практические методики определения параме1ров глубоких уровней предусматривают периодические воздействия заполняющих импульсов с такими частотами следования, чтобы периоды их совпадали с временем релаксации для . конкретных глубоких уровней. Этого можно добиться методом температурного сканирования, при котором совпадение времен релаксации и временного окна достигается путем плавного, регулируемого и контролируемого изменения температуры. Датчиком температуры является полупроводниковый диод. В диапазоне 80-370 К температурный коэффициент прямого падения напряжения составляет приблизительно 2 мВ/К. Запись измеряемого сигнала релаксации емкости проводилась с помощью ЭВМ.

Обработка экспериментальных результатов и расчеты электрофизических параметров исследуемых структур проводилась на ЭВМ типа IBM PC/AT при этом особое внимание уделялось анализу источников погрешности.

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований влияния электронного и гамма-облучения на параметры фотоприемных crpyirryp. исследований спектров РСГУ, результаты проведения отбраковки по-

тенциалыю ненадежных структур с применением радиационного облучения, методика оценки скорости роста концентрации радиационных целтров при облучении, а также методика прогнозирования изменений параметров кремниевых фотоприемников при воздействии излучений высоких энергий.

При исследовании изменения ВАХ фотоприемников ФД-141, ФД-137, ФД-23К и У82А при облучении быстрыми электронами, а также гамма-квантами, были получены качественно общие закономерности-, с ростом интегрального потока (дозы) облучения наблюдается увеличение обратного темно-вого тока фотодиодных структур, а также изменение прямого падения напряжения. •

Анализ зависимостей обратного темпового тока от интегрального потока электронов и дозы гамма-квантов для фотоприемников ФД-141 (сегменты), У82А и ФД-137 показал, что скорость роста обратного темпового тока фотодиодных структур при электронном облучении значительно выше, чем при гамма-облученни, в то время как скорость роста обратного темпового тока охранных колец фотоприем пиков ФД-141 при гамма-облучении значительно выше, чем при облучении электронами. Численная оценка трех составляющих обратного тока фотоприемников ФД-141 (генерационной, диффузионной, поверхностной) показал, что общее изменение обратного тока сегментов определяется генерационным током, а изменение обратного тока охранных колец - током поверхностных утечек. Следовательно, изменение основного информативного параметра сегментов в первую очередь, связано с объемными процессами, имеющими место при радиационном облучении, а изменение обратного тока охранных колец главным образом определяется поверхностными радиационными эффектами. Из вышесказанного можно сделать вывод, что при облучении исследуемых типов кремниевых фотоприемников гамма-квантами изменение их параметров в основном обусловлено поверхностными радиационными эффектами, в то время как при электронном облучении определяющую роль играют процессы накопления глубоких центров в объеме! ремния.

При исследовании влияния облучения на прямую ветвь вольт-амперной характеристики фотопрпемников ФД-141, ФД-23К, была выявлена общая за-

кономерность: при облучении небольшими дозами (потоками) наблюдается снижение прямого падения напряжения, а при облучении большими дозами (потоками) - увеличение. При облучении фотоприемных структур ФД-141 и ФД-23К электронами с энергией б МэВ уменьшение прямого падения напряжения наблюдается вплоть до потоков Фе =2-1014 см"2, а при облучении ФД-141 гамма-квантами спад прямого падения напряжения наблюдается при дозах, не превышающих порядок От = 7-Ю4 Гр (что соответствует потоку электронов Фе = 2-Ю14 см"2). При облучении исследуемых фотоприемных структур прямое падение напряжения изменяется в результате двух процессов: снижения величины Цр-п и роста значения и6. Преобладание того или иного процесса будет определять общий характер изменения ипр. Из полученных экспериментальных данных следует, что при облучении фотоприемных структур ФД—141 и ФД-23К малыми дозами (менее 7-104 Гр) и потоками (менее 2-Ю14 см"2), определяющую роль в изменении иГ1р играет снижение и,>.п, а при дальнейшем увеличении дозы (потока) облучения начинает преобладать процесс роста величины и6.

Если сравнивать комбинированное облучение с облучением только электронами или только гамма-квантами, то по скорости изменения основного информативного параметра (темнового тока) на первом месте будет стоять электронное облучение, затем комбинированное, при котором электронное облучение используется на завершающем этапе (у-е), затем комбинированное, при котором электронное облучение используется на начальном этапе (е-у) и наименьшая скорость изменения темног ж> тока наблюдается при гамма-облучении.

Результаты эксперимента показывают, что облучение приборов суммарным потоком Фе = 81015 см"1 выводит их из строя.

Анализ изменения вольт-фарадкых характеристик фотодиодов ФД-23К, У82А и ФД-137 при облучении быстрыми электронами и гамма-квантами показал, что при облучении структур интегральными потоками электронов вплоть до 2-Ю14 см"2 вольт-фарадная характеристика практически не изменяется. При увеличении интегрального потока электронов до 7-10м см"2 наблюдается резкое уменьшение барьерной емкости исследуемых приборов, и этот параметр прак-

тически перестает зависеть от приложенного напряжения. Получено, что поток электронов порядка 1014 см-2 является некой "пороговой" величиной, при которой наблюдается заметное изменение емкости исследуемых приборов.

По вольт-фарадным характеристикам можно определить изменение концентрации основных носителей заряда в базе фотоприемников при радиационном облучении. Как показали расчеты, до облучения концентрация основных носителей заряда в базовой области составляла; у фотодиодов ФД-23К -Na« 7-Ю13 см"3, у фотодиодов У82А - Na» 2.-1013 см""3, у фотоприемников ФД-137- Na«4,5'10'3 см-3. С увеличением дозы (потока) облучения наблюдается уменьшение (в пределах одного порядка величины) концентрации основных носителей заряда в базовой области, что говорит о росте концентрации радиационных центров. Расчеты показали, что при облучении фбтоприемных структур ФД-137 дозой DT = 7-104 Гр, что соответствует пртоку электронов порядка 21014 см"2, характер р-п-перехода меняется с резкого на линейный. У приборов, облученных электронами, такое изменение характера перехода наблюдается при Фе = 7-1014 см"2 для ФД-23К и при Фс = 10м см""2 для У82А. С помощью полученных дозовых зависимостей концентрации основных носителей заряда можно проследить изменение положения уровня Ферми в объеме базовой области исследуемых приборов. С ростом дозы (потока) облучения, уровень Ферми смещается к середине запрещенной зоны, что обусловлено эффектом компенсации типа проводимости при облучении кремния.

Из полученных дозовых зависимостей концентрации основных носителей заряда, была проведена оценка изменения концентрации радиационных центров (N,) при облучении. Получено, что с ростом дозы облучения концентрация радиационных центров увеличивается по закону близкому к линейному, Что согласуется с известными литературными данными, по которым при облучении интегральными потоками электронов менее 1016 см"2 концентрация радиационных центров линейно 'зависит от интегрального потока электронов. Методом наименьших квадратов по полученным дозовым зависимостям N, были определены коэффициенты линейной функции для исследуемых приборов, и зависи-

мость N1 от потока электронов (дозы гамма-квантов) может быть записана в виде

- N1 = а-Ф +Ь,

где а - коэффициент линейной функции, а = 4,915-10"2 см"2;

Ф - интегральный поток электронов, см-2;

Ь - коэффициент линейной функции Ь = 2,751 • 1012 см-3.

Исследование спектров фоточувствителыюсти фотодиодов ФД-23К (со структурой р+-п-типа) показало, что до облучении спектр характеризуется тремя пиками поглощения, соответствующими энергиям фотонов 1,2 эВ, 1,3 эВ и 1,65 эВ. Фотоны с энергией 1,65 эВ поглощаются на глубине'менее 10 мкм. то есть вблизи р-п-перехода, фотоны с энергией 1,3 эВ - на глубине порядка нескольких десятков мкм (20-^30 мкм), а фотоны с энергией 1,2 эВ поглощаются на глубине (~100мкм). После облучения потоком электронов Фе = 21014 см-2 появляется новый пик с соответствующей энергией фотонов 1,5 эВ, а пики с соответствующими энергиями фотонов 1,2 эВ и 1,3 эВ становятся едва заметными. Предполагается, 'по такое изменение спектров фоточувствительности связано с радиационным дефектообразованием в приборной структуре. Так как глубина поглощения нового пика соответствует области пространственного заряда р-п-перехода, то можно заключить, что накопление дефектов, приводящих к появлению данного максимума, преимущественно происходит в этой области.

Исследования спектров РСГУ показали, что в исходном состоянии, а также при облучении небольшими интегральными потоками электронов (1013 см-2) заметных пиков в измеренных спектрах не наблюдалось, что говорит о пренебрежимо малой концентрации радиационных центров. С ростом интегрального потока электронов в спектрах РСГУ начинают появляться доминирующие пики. Так, при потоке Фе = 5-10П см'2 появляется хорошо заметный максимум при температуре -140°С, а также ¿лабо выраженные максимумы при температурах порядка -120°С и -50°С. Расчеты показали, что максимуму при температуре -140°С соответствует центр с энергией Ес-0,22 эВ, максимуму при температуре -120°С -. центр с энергией Ес-0,35 эВ, а максимуму при температуре -50°С -

N

центр с энергией Ес-0,46 эВ. Если считать, что все уровни радиационных центров в п-базе структуры, находящиеся ниже уровня Ферми, заняты электронами, а уровни радиационных центров выше уровня Ферми - свободны, то можно предположить, что центры с энергией Ес-0,22 и Ес-0,35 эВ находятся в ионизованном состоянии, а центр Ес-0,46 эВ - в неионнзовашюм. Предполагается, что уровни с энергетическим положением Ес~0,22 и Ес~0,35 эВ дают образующиеся при облучении дивакансии, находящиеся в различных зарядовых состояниях. Уровень с положением Ес-0,46 эВ скорее всего принадлежит Е-центру, вероятность образования которого при радиационном облучении кремния п-типа достаточно высока. С ростом интегрального потока электронов до 10й см"2 максимумы при температурах -140°С и -120°С становятся более ярко выраженными, в то время как максимум при температуре -50°С практически сглаживается. Это говорит о том, что радиационные центры с энергиями Ес—0,22 эВ и Ес-0,35 эВ, дающие первые два пика, и будут гласным образом, определять зависящее от.накопления радиационных центров изменение различных электрофизических параметров исследуемых диодных структур.

При разработке методики индивидуального прогнозирования качества кремниевых фотоприемных структур с применением радиационной обработки было получено, что используя радиационное облучение небольшими потоками электронов (Фс=10псм~2) или дозами гамма-квантов (Оу = 2>10'1 Гр), можно исправить параметрическим брак по уровню темпового тока. Полученные результаты подтверждаются испытаниями на долговечность, а именно, структуры, у которых параметрический брак по уровню темпового тока был исправлен с помощью облучения небольшими дозами гамма-квантов, при испытаниях на долговечность не обнаруживают себя как потенциально ненадежные структуры.

Предлагается методика индивидуального прогнозирования надежности фотоприемников ФД~141с п^-р-стуктурой. Суть предлагаемого метода заключается в том, что при облучении структур достаточно небольшими дозами гамма-квантов или потоками электронов, когда процессы, происходящие в структуре и вызванные облучением, не являются необратимыми, начинают проявлять .себя скрытые дефекты. Прежде всего это''видно по резкому увеличению значе-

ний темпового тока при рабочем напряжении. При электронном облучении структуры со скрытыми дефектами обнаруживают себя уже после облучения суммарным потоком Фс 71011 см"2. При дальнейшем увеличении интегрального потока электронов разрыв по значениям основного информативного параметра между потенциально ненадежными структурами и годными увеличивается, но число структур со скрытыми дефектами остается неизменным. Учитывая это, а также то, что основные электрические и оптические параметры фотоприемников до облучения суммарным потоком Фе = 2- 10й см"2 практически не изменяются или изменяются незначительно, можно заключить, что для проведения отбраковки с применением электронного облучения целесообразно использовать интегральные потоки электронов в диапазоне от 7-1013 до 2-1014 см~г. При облучении фотоприемников ФД-141 гамма-квантами скрытые дефекты обнаруживают себя после облучения дозой Цт — 2-104 Гр, что соответствует потоку электронов Фе« 7-10й см-2. С учетом того, что облучение гамма-квантами производит сильную ионизацию поверхности и в меньшей степени влияет на объемные процессы, чем электронное облучение, можно сказать, что проведение отбраковочных испытаний приборов, работа которых в основном зависит от процессов в базовой области структуры, с применением облучения гамма-квантами будет менее эффективна, чем с применением электронного облучения. Кроме того, результаты проведения испытаний на долговечность показали, что дозы 0Т = 2-104 Гр недостаточно для выявления наибольшего количества структур со скрытыми дефектами, а облучение большими дозами гамма-квантов занимает слишком много времени. Поэтому и с экономической точки зрения, проведение отбраковочных испытаний с использованием электронного облучения будет эффективнее, чем с использованием облучения гамма-квантами. Разработанная методика позволяет отбраковать до 5% потенциально ненадежных структур.

В заключении приведены выводы, сформулированные на основании результатов проведенных исследований.

1. При исследовании изменения вольт-амперных характеристик фотоприемных структур ФД-141, ФД-137, ФД-23К и У82А при облучении быстрыми

электронами и гамма-квантами, были получены качественно общие закономерности: с ростом интегрального потока (дозы) облучения наблюдс. лея увеличение обратного темнового тока, а также изменение прямого падения напряжения. Анализ скорости изменения обратного темнового тока при облучении быстрыми электронами и гамма-квантами, с учетом конструктивных особенностей исследуемых приборов, показал, что при облучении гамма-квантами изменение параметров фотоприемников в основном обусловлено поверхностными радиационными эффектами, в то время как при электронном облучении определяющую роль играют процессы накопления глубоких центров в объеме кремния.

2. Исследование изменения прямой ветви ВАХ фотоприемников ФД-141 и ФД-23К со структурами п+-р и р+-п-типа соответственно показало, что при. облучении малыми дозами (менее 7-104 Гр) и потоками (менее 2-Ю14 см"2 ), определяющую роль в изменение прямого падения напряжения играет уменьшение падения напряжения на р-п-переходе, а при дальнейшем увеличении дозы (потока) облучения начинает преобладать процесс роста падения напряжения на базе структуры.

3. Получено, что наибольшая скорость изменения основного информативного параметра (обратного темнового тока) достигается при электронном облучении, далее следует комбинированное облучение, при котором электронное облучение используется на завершающем этапе (у-е), затем комбинированное облучение, при котором электронное облучение используется на начальном этапе (е-у) и наименьшая скорость изменения темнового тока наблюдается при облучении исследуемых структур гамма-квантами.

4. Получено, что при облучении фотоприемников ФД-23К, У82А и ФД~ 137 интегральными потоками электронов вплоть до 2-10м см"2 вольт-фарадная характеристика практически не изменяется. При увеличении интегрального потока электронов до 7-Ю'4 см"2 наблюдается резкое уменьшение барьерной емкости* исследуемых приборов, и этот параметр практически перестает зависеть от приложенного напряжения. ■ , " |

5. На основе полученных дозовых зависимостей емкости исследуемых структур разработана методика оценки концентрации и скорости введения радиационных центров в базе фотоприемных структур при облучении в диапазоне шггегральных потоков электронов до 1016 см"2.

6. Исследование изменения спектров фоточувствительности фотоприемников ФД-23К со структурой р+-п-типа при облучении электронами показал, что при малых потоках облучения, до Фс < 2-10м см"2, определяющую роль в изменении оптических параметров исследуемых структур играют процессы, происходящие ».области р-л-перехода. .

7. Получено, что в базовой области р+-п-структур фотодиодов ФД-23К при облучении электронами преимущественно образуются глубокие радиационные центры с энергетическим положением Ес-0,22, Ес-0,36, Ес-0,44 эВ. По своей природе, предположительно, первые два центра представляют собой различные зарядовые состояния дивакансий, а третий - Е-цептр. Доминирующим по концентрации является центр с энергетическим положением Ес-0,22 эВ. С ростом концентрации этого центра связано резкое уменьшение емкости структур, появление нового пика поглощения в спектре фоточувствительности, рост прямого падения напряжения.

8. На основе анализа результатов отжига радиационных дефектов, образующихся в п+-р-структурах после электронного облучения (Фе =7-1015 см"2), можно заключить, что в рабочем диапазоне температур (-60 - +85°С) значения параметров исследуемых структур будут достаточно стабильными. Для огжига исследуемых фотоприемных структур нужно использовать короткий по времени нагрев при температурах более 700 К.

9. Получено, что суммарный поток электронов Фе = 2-10м см~2 является некой "пороговой" величиной, при которой наблюдается заметное изменение основных параметров и характеристик фотоприемников ФД-141, ФД-23К, ФД-137, У82А. Облучение фотоприемников ФД-141 суммарным потоком Фс = 81015 см"2 выводит их щ строя.

10. Разработана расчетная методика прогнозирования изменения основного информативного параметра (для п+-р-фотоприемных структур) при воздействии излучений высоких энергий до 25 МэВ.

11. Получено, что используя радиационное облучение небольшими потоками электронов (Фе = 1013 см"2) или дозами гамма-квантов (Dr = 2104 Гр), можно исправить параметрический брак по уровню темнового тока фотоприемников со структурой гГ-р-типа.

12. Разработан метод индивидуального прогнозирования качества кремниевых фотоприемных структур с применением радиационной обработки. Метод основан на том, что при облучении структур достаточно небольшими дозами гамма-квантов или потоками электронов, когда процессы, происходящие в структуре и вызванные облучением не являются необратимыми, начинают проявлять себя скрытые дефекты. Разработанная методика позволяет выявить до 5% потенциально ненадежных структур. Показано, что для проведения отбраковочных испытаний лучше использовать электронное облучение потоком 2- 10м см"2. '

В приложении представлены программы для ЭВМ используемые при получении и обработке результатов.

Основные результаты диссертационной работы изложены в следующих . публикациях:

1. Использование радиационной отбраковки для повышения долговременной стабильности Si фотопрцемников./Галеев А.П., Курунова Т.Ю., Ладыгин Е.А., Рыжиков И.В.//Надежность и контроль качества. - 1995. - №5.

2. Модель деградации Si фотоприемников при воздействии электронного излучения высоких энергий./Галеев А.П., Курунова Т.Ю., Ладыгин Е.А., Хаустов В.В., Эмишян М.С.//Надежность и контроль качества. - 1995. - №5.

3. Курунова Т.Ю., Ладыгин Е.А., Осилов Г.А., Таперо К.И. Модель генерации поверхностных состояний в МОП-структурах при воздействии ионизирующих излучений.//Материалы докладов и.-т. семинара "Шумовые и деграда-ционные процессы в полупроводниковых приборах". - М.: МНГОРЭС им, А.С.Попова 1995.

4. Гапеев А.П., Курунова Т.Ю., Ладыгин Е.А., Таперо К.И. Оценка эквивалентности воздействия гамма- и электронного излучений на полупроводниковые структуры.//Материалы докладов н.-т. семинара "Шумовые и деградацион-ные процессы в полупроводниковых приборах". - М.: МНТОРЭС им. А.С.Попова 1995.

5. Галсев А.П., Курунова Т.Ю., Ладыгин Е.А., Хаустов ВВ., Эмишян (М.С. Зависимость деградации фотопрнемников при воздействии излучений

высоких энергий .//Материалы докладов н.-т. семинара "Шумовые и деградаци-онные процессы в полупроводниковых приборах". - М.: МНТОРЭС им. А.С.Попова 1995 .

6. Ладыгин Е.А., Таперо Т.Ю. Влияние радиационного облучения на электрические и оптические параметры фотоприемников. //Вопросы атомной науки и техники. Серия "Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру", №4, 1996.

Объем 1 п. л., Тираж 100 экз.

Заказ £>3

Типография МИСиС, ул.Орджоникидзе 8/9