Влияние радиационных дефектов, вводимых электронным облучением, на электрический пробой кремниевых p-n-переходов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК БЕЛАРУСИ

г--,4

ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ТВЕРДОГО ТЕЛА И ПОЛУПРОВОДНИКОВ

УДК «21.382.2

ЛАСТОВСКИЙ Станислав Брониславович

ВЛИЯНИЕ РАДИАЦИОННЫХ ДЕФЕКТОВ, ВВОДИМЫХ ЭЛЕКТРОННЫМ ОБЛЕГЧЕНИЕМ, НА ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРОБОЙ КРЕМНИЕВЫХ р-п- ПЕРЕХОДОВ

01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков

АВТОРЕФЕРАТ ! диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Минск, 1997

Работавыполнеиав лаборатории радиационных воздействий Института физики твердого тела и полупроводников HAH Беларуси.

Научный руководитель: чл-корр. НАНБ, доктор технических

наук, профессор Коршунов Ф.П

Официальные оппоненты: доктор физико-натематнческнх наук,

Яржембнцкий В.Б

кандидат физико-математических наук Левченко В.И.

Оппонирующая организации: Белорусский государственный университет

информатики а радиоэлектроники

Защита диссертации состоится 17 октября 1997 г. в 14.00 часов на заседании Совета по защите диссертаций Д01.06.01 Института физики твердого тела в полупроводников HAH Беларуси (220072, г.Мяиск, улП.Бровки, 17).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики твердоготела я полупроводников НАНБ.

Автореферат' разослав " Я " сентября 1997 года

Ученый секретарь Совета по защите диссертаций доктор фнз,-наг. наук

ОКЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации.

Применение полупроводниковых приборов в полях проникающих излучений, а также разработка и внедрение эфЕективннх радиационных методов в современную полупроводниковую технологию требуют всестороннего изучения влияния радиационных дефектов (РД) на их характеристики. Наряду с этим, выяснение роли различного рода структурных нарушений в электрическом пробое р-п-пвреходов всегда имело свое особое значение в связи с необходимостью получения качественных приборов с высокими пробивными напряжениями.

К настоящему времени уже известны основные механизмы влияния проникающих излучений на электрический пробей кремниевых р-п-переходов, а также процессы перезарядки глубоких уровней (ГУ) дефектов в условиях сильных электрических полей. Однако ряд вопросов требует дальнейшего изучения. Во-первнх, остаются невыясненными механизмы перезарядки ГУ РД при повышенных значениях плотности пробивного тока, что соответствует режиму функционирования многих лавинно-пролетных диодов и стабилитронов. Во-вторых, в процессе деградации пробивных параметров р-п-переходов не изучена роль различных типов РД, вводимых облучением одновременно в п- и р-области, что характерно' для переходов с плавным профилем распределения примеси. В-третьих, до сих пор не изучены механизмы влияния РД на пробой р-п-пвреходов в области, криогенных температур, соответствующих существенному изменению электрофизических характеристик кремния.

Последний вопрос в наши дни приобрел большую актуальность в связи с наметившимся развитием криоэлектроники, особенно после открытия высокотемпературной сверхпроводимости. Перекрытие рабочего диапазона температур сверхпроводников и полупроводников позволяет создавать устройства на базе комбинации этих материалов и приборов на их основа.'Подобные изделия обладают-рядом новых свойств, а также намного лучшими характеристиками по сравнению со своими аналогами, рассчитанными на обычные температуры. Однако широкое практическое использование таких гибридных устройств невозможно без знания влияния РД на свойства полупроводниковых материалов и их приборов при криогенных температурах. В первую очередь, это следует отнести к приборам, получаемым на сильиолегиро-

ванном кремнии, как наиболее перспективном для работы при сверхнизких температурах из-за более слабого влияния на его параметры процесса выморакивания свободных носителей заряда на уровни основных легирующих примесей.

Овязь работы с крупными научными программами. Работа выполнялась в Институте физики твердого тела и полупроводников НАШ в рамках тем НИР республиканских комплексных программ фундаментальных исследований в области естественных наук "Кристалл-12а" и "Кристалл-2.10а".

• Целью работы являлось выяснение закономерностей изменения характеристик электрического пробоя кремниевых р-п-пераходов в диапазоне температур 4,2-320 К, подвергнутых облучению электронами с энергией 4 МэВ.

Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи исследования: .'

-изучить влияние вводимых электронным облучением РД и их отжига на лавинный пробой кремниевых р-п-переходов с плавным профилем распределения примеси;

-выяснить особенности влияния процесса перезарядки ГУ РД на лавинный пробой плавных р-п-пэреходов в области больших пробивных токов и температур 77-320 К:

-исследовать влияние проникающих излучений на обратные характеристики кремниевых р-п-переходов с туннельным и смешанным механизмами пробоя при криогенных температурах.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:

-Впервые установлено, что радиационные изменения при комнатных температурах обратной ВАХ в области лавинного пробоя кремниевых р-п-переходов определяется главным образом РД, содержащими основные легирущие примеси.

-Впервые нолучена зависимость вероятности включения естественных микроплазм кремниевых р-п-переходов от флюенса электронного, облучения.

-Впервые установлено, что при отжиге радиационных центров происходит изменение температурной зависимости напряжения лавинного пробоя не только при температурах, соответствующих их перезарядке, но и при более низких.

-Показано, что, изменяя с помощью условий облучения тип вво-

дашх РД, можно получить термокомпенсированные кремниевые стабилитроны, функционирующие в области температур вплоть до 78 К.

-Впервые экспериментально показано, что на обратной ВАХ в области больших пробивных токов облученных кремниевых р-п-переходов возникает участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением (ОДС), обусловленный перезарядкой глубоких уровней РД в результате лавинно-теплового разогрева кристалла образца.

-Впервые показано, что обратная ВАХ кремниевых низковольтных (3-6 В) р-п-переходов претерпевает при электронном облучении наиболее сильные изменения в области температур 4,2-30 К, соответствующих вымораживанию носителей заряда на уровни легирующих примесей.

Практическая значимость полученных результатов определяется тем, что на их основании мокно:

-прогнозировать функциональные возможности кремниевых приборов с лавинным и туннельным механизмами пробоя в полях проникающих излучений и диапазоне температур от гелиевых до комнатных;

-моделировать работу указанных приборов, содержащих не только радиационные, но и другие типы дефектов;

-использовать проникающие излучения в технологии изготовления кремниевых приборов с целью придания им необходимых свойств; в частности, разработаны конкретные способы, защищенные авторскими свидетельствами на изобретение, по использованию электронного облучения для термокомпенсации напряжения стабилизации кремниевых стабилитронов в любом задашюм интервале температур.

Экономическая значимость подученных результатов заключается в том, что использование проникающих излучений в технологи! изготовления полупроводниковых приборов приводит к сокращения трудовых и энергетических затрат по сравнению с существующими традиционными технологическими способами.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

1. Изменения при комнатной температуре обратной ВАХ в области лавинного пробоя кремниевых р-п-переходов в результате электронного облучения и отжига вызваны соответствующими изменениями концентрации РД, содержащих в своем составе основные легирующие примеси.

2. Увеличение вероятности включения микроплазм кремниевых р-п-переходов "при электронном облучении связано с увеличением в

их объеме концентрации свободных носителей заряда в результате генерации с ГУ РД.

3. Возникновение участка ОДС на обратной БАХ в области больших пробивных токов облученных кремниевых р-п-переходов с отрицательным температурным коэффициентом напряжения лавинного пробоя обусловлено термоэмиссией носителей заряда с ГУ РД в результате ла-вшшо-тешювого разогрева образцов.

4. Наличие гистерезиса на обратной В АХ при низкотемпературном лавинном пробое облученных кремниевых р-п-переходов связано с ударной ионизацией ГУ РД вблизи границы перехода.

5. Обратная ВАХ кремниевых р-п-лерэходов с туннельным механизмом пробоя претерпевает при электронном облучении наибольшие изменения в области температур 4,2-30 К в результате изменения степени компенсации базового кремния.

■Динный вкдм соискателя. Содержание диссертации отражает личный вклад автора. Он принимал непосредственное участие в получении всех результатов, представленных в работе. Результаты были проанализированы совместно с научным руководителем. Соавторы работ, представленных ниже, принимали участие а подготовке и проведении отдельных экспериментов, а также обсуждении результатов. Обработка и интерпретация данных, а также выводы сделаны автором лично.

Апробация результатов диссертации. Результаты диссертации докладывались на XII Всесоюзной конференции по микроэлектронике (Тбилиси, 1987), на Всесоюзных семинарах "Вопросы обеспечения радиационной стойкости ЗРИ, элементов и материалов к воздействию ШЯВ" (Баку, 1989 и Харьков, 1990), на I Всесоюзной научно-технической конференции "Радиационная стойкость бортовой аппаратуры и элементов космических аппаратов" (Томск, 1991) и на международной конференции "Взаимодействие излучений с твердым телом" (Минск, 1995).

Опубликованность результатов. По результатам диссертационной работы опубликовано 15 печатных работ, в том числе 9 статей, и получено 2 авторских свидетельства на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и списка литературы. Она содержит 132 страницы, в том числе 33 рисунка, 2 таблицы и 185 источников литературы.

КРАТКОЙ СОДВРЗШИ РАБОТЫ

Ва введении кратко охарактеризовано современное состояние проблемы изучения воздействия проникающих излучений на свойства кремниевых приборов, отмечены основные достижения и нерешенные вопросы, обоснована необходимость проведения дальнейших исследований.

1 обшей характеристике работа обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются цели и задачи работы, научная новизна, практическая и экономическая значимость, основные защищаемые положения, приводятся сведения об апробации, опубликован-ности результатов, структуре и объеме работа, а также о личном вкладе автора и соответствии важнейшим темам ШР.

Первая глава содержит обзор литературы по исследованию влияния проникающих излучений на электрический пробой кремниевых р-п-переходов. В ней кратко изложены мэханизш электрического пробоя последних, а также приведены наиболее известные РД в кремнии и их влияние на его электрофизические свойства, Описаю влияние различных видов жестких излучений на основные характеристики туннельного, лавинного и смешанного механизмов пробоя кремниевых р-п-переходов.. Значительное внимание уделено влиянию процессов перезарядки ГУ различного рода дефектов на вид обратной ВАХ как в области развитого пробоя, так и начальной, характеризующейся наличием микроплазм. Проанализированы результата работ по изучении пробоя кремниевых р-п-гореходой в области криогенных температур. На основании анализа литературных данных сформулирована цель и задачи исследований.

В$> второй главе описаны исследуемые образца, методика измерения их параметров, а тагам облучения й Отаига.

Для изучения лавинного механизма пробоя в качестве объектов исследования использовались диффузионно-сплавные р-п-перехода, полученные на зонном кремнии с удельным сопротивлением р=0,0в-0,5 Ом*см. Сплавление пластин п~ и р-типов осуществлялось посредством силумина в вакууме (Ю-5 мм. рт. ст.), после чего методом зонной перекристаллизации градиентом температуры слой эвтектики отводился в р-область с одновременной разгонкой алшиния в п-область. Все р-п-перехода имели линейный профиль распределения примеси. Их напряжение лавинного пробоя при 300 К составляло 40-140 В.

P-n-перехода с туннельным и смешанным механизмами проОоя изготавливались на зонном кремнии с р=0,014-0,022 Ом*см вплавло-ниам Al и имели напрянзгак пробоя 3-6 В при 300 К. В отличие от р-п-переходов с лавинным пробоем они имели резкий профиль распределения примеси.

ООлучетэ исследуемых р-п-тареходов проводилось электронами на линейном импульсном ускорителе ЭЛУ-4 при комнатной температуре. Плотность пучка электронов измерялась при помощи цилиндра Фарадея с точностью до и.ож. Энергия электронов составляла 4 'МэВ.

■ Термический отишг облученных образцов проводился на воздухе в интервала температур 323-673 К. Режим отжига поддерживался с помощью терморегулятора ВРГ-3, точность поддержания температуры при этом составляла ±0,6 К.

Измерения напряжения проОоя Ofe, дифференциального,сопротивления Rd, температурного коэффициента напряжения пробоя Ш/ь и барьерной емкости С^ р-п-переходов проводились по стандартным методикам. Для исследования вероятности включения Р0), экстраполированного напрякения пробоя Um и последовательного сопротивления микроплазм отбирались осщшюгрофическим методом образцы с четко выделенными одиночными микроплазмами (МП). Величина PQ1 определялась по импульсной методике. С целью идентификации вводимых электронным облучением РД проводилась DLTS-спектроскапия образцов.

Низкотемпературные измерения осуществлялись путем отогрева исследуемых образцов в парах жидкого гелия (4,2-100 К) и азота (78-300 К). В первом случае температура контролировалась с помощью термопреоОразователя сопротивления ТСАД-2, а во-втором -термопарой медь-копель.

g третьей рлавэ приведена результаты исследования влияния радиационно-термйчвйсого боздэйствия на лзвшгт-ш пробой кремниевых диффузионно-сплавных р-п-переходов при 300 К. Рассматривались области развитого пробоя й начальная.

, Электройное облучение приводит к увеличению üb и Rd исследуемых образной, зависимость tíb от дозы облучения о носит экспонен-циальшй характер й выражена слабее для р-п-переходов с меньшим исходным зййЧеШгоМ напрякения пробоя.

ГрёдиеНт концентрации мелких примесных центров а р-п-переходов Уменьшается с ростом.®. При этом его изменения у

более высоковольтных образцов сильнее, чем нлзксвольтных. Сравне-ниэ зависимостей иь(®) и а(<5) свидетельствует о корреляции в поведении этих величин при облучении р-п-переходов. На начальном этапе облучения напряжение пробоя остается прямо пропорциональным градиенту концентрации примеси в степени -0,4, а при больших значениях Ф эта зависимость ослабевает.

На основании анализа известных литературных данных о процессах радиационного дефектообразования в кремнии, результатов отжига и БЬТБ-спектрскоши р-п-переходов установлены типы вводимых облучение!.-; РД. В п-область с наибольшей эффективностью вводится комплекс вакансия - фосфор (7-Р), а в р-область - алшинийсодер-кащие комплексы: вакансия - алюминий (У-А1), алшиний внедрения и алшиний внедрения - алюминий замещения (А1^А1з). Наряду с указанными дефектами в насколько меньших концентрациях вводятся вакансия - кислород (У-О), давакансия (У2), углерод внедрения (С^) и углерод внедрения - углерод замещения (С^).

Оценка зарядового состояния ГУ указанных РД в области пространственного заряда обратносмещенного р-п-перехода показывает, что при 300 К практически все они находятся в незаполненном зарядовом состоянии. Это позволяет заключить, что изменения обратной ВАХ при комнатной температуре в результате облучения образцов вызвано образованием комплексов, содержащих в своем составе основные легирующие примеси.

При изохронном (20 мин) отжиге облученных р-п-переходов наблюдалось увеличение иь при 873-473'и 533-593 К.-При этом характер первой стадии отрицательного отжига исследуемой величины зависит от значения доза облучения, отжигаемого образца. Только до' 393 К иь незначительно возрастает при всех значениях О, а дальше его изменение определяется концентрацией введенных РД. При 0=6*1О^7 см-2 оно продолжает расти до 473 К, а при 6*1016 см - уменьшается. При дозе 3*10 см-2 до 453 К иь уменьшается, а потом увеличивается .

Характер второй стадии отрицательного отжига (533-593 К) не зависит от величины дозы облучения. Однако с ростом последней относительное изменение иь увеличивается.

Восстановление напряжения пробоя при отяигв происходит при 473-533 и 593-673 К. Полного восстановления иь при 673 К не наблюдается. Этот процесс продолжается и при более высоких темпера-

турах отжига.

Обнаружено, что повэдетю пробивного напряжения в процессе отжига р-п-переходов коррелирует с поведением их барьерной емкости. Увеличению ^соответствует уменьшение С^ и наоборот. Данный факт указывает на то, что поведение иъ и С0 обусловлено соответствующими изменениями плотности объемного заряда р-п-переходов в результате отжига РД.

Анализ результатов о учетом известных литературных данных позволил заключить, что отрицательный отаиг иъ вызван перестройкой РД в более .термостабильные комплексы. Предположено, что при 373-473 К отжиг комплексов У-Р сопровождается образованием сложных фосфоросодержащих дефектов с термостабильностью до 673 К. При этом зависимость вероятности образования последних от концентрации отжигаемых РД объясняет дозовую зависимость характера поведения иь. При 533-593 К образуется комплекс А11А1е в результате отжига менее термостабильных алюминийсодержащих дефектов.

При изучении микроплазменного пробоя р-п-переходов наблюдалось увеличение с ростом Ф вероятности включения, экстраполированного напряжения пробоя и последовательного сопротивления отдельных МП. Характер поведения и и при изменении 3 тот же, что и иь и Ид для однородного пробоя. Однако их изменения в исследуемом диапазоне доз значительно слабее по сравнению с Р , что связано с несколько иным механизмом влияния РД на последнюю.

Высокая чувствительность вероятности включения к облучению обусловлена увеличением частоты попадания носителей в канал МП, то есть появлением дополнительных механизмов их поставки. Наиболее вероятным из известных механизмов является термополеЕая генерация носителей с уровней РД. Следовательно, изменение Р01, в отличие от иъ, Р1(1, ит и ЙЕ, определяется совокупностью всех типов ■введенных в объем МП РД, а не только содержаще основные легирующие примеси.

1 четвертой главе приведены результаты исследования влияния перезарядки ГУ РД на лавинный пробой кремниевых диффузионно-сплавных р-п-переходов при 77-320 К.

На' температурных зависимостях напряжения лавинного пробоя облученных р-п-переходов обнаружены два участка с отрицательным значением температурного коэффициента напряжения пробоя. Один наблюдается при температурах выше .220 К и вызван перезарядкой'ГУ

комплексов '/-А1 и У-Р, а другой при температурах ниже 160 К и связан с перезарядкой более мелких уровней вводимых РД. Показано, что величина и знак ИШЬ определяются концентрацией дефектов. Изменяя с помощью условий облучения их тип и концентрацию, можно достичь очень низких значений тки в любом заданном интервале температур вплоть до 78 К. Это имеет практическое значение с целью получения путем дополнительной радиационной обработки кремниевых термокомпенсированных стабилитронов,' способных функционировать в области низких температур.

Втарввд экспериментально показано, что перезарядка ГУ РД в области больших плотностей пробивного тока приводит к возникновению участка ОДС на обратных ВАХ, а на температурных зависимостях своеобразного мпшмума. Установлено, что данные эффекты начинают проявляться при концентрациях.дефектов, соответствующих отрицательным значениям "ПШЬ. Показано, что причиной их возникновения является опустошение ГУ РД в результате лавинно-теплового разогрева р-п-переходов.

При изохронном отжиге облученных р-п-переходов обнаружена зависимость характера поведения их напряли га) л пробоя от температуры измерения. Первый участок (373-473 К) отрицательного отжига иь в наибольшей степени проявляется только при температурах измерения выше 240 К.

Еще одна особенность отжига р-п-переходов связана с изменением их температурного коэффициента напряжения пробоя. Как уже отмечалось выше, на зависимостях и^(Т) облученных образцов возникают два участка с отрицательным наклоном. Обнаружено, что восстановление знака ТКиь на. обоих участках происходит при отжиге Е-центров. Возникает вопрос, кагат образом откиг указанного дефекта может влиять на зависимость иь(Т)'при температурах, соответствующих перезарядке более мелких уровней других РД? Показано, что данный эффект связан с изменением стйпени компенсации квазинейтральных областей р-п-перехода и может иметь место при любом профиле распределения легирующих примесей. Для резкого асимметричного р-п-перехода, в п-области которого содержатся два типа ГУ с концентрациями и Н2 и энергиями активации Е| и Е2, соответ ственно, получено аналитическое выражение для ТКиь, дающее качественное согласие с экспериментальными данными.

При лавинном пробое облученных р-п-переходов в области азот-

ных температур на ВАХ наблюдается участок ОДС. Его возникновение зависит от условия измерения характеристики. Если увеличивать прикладываемое к р-п-пареходу обратное смещение от нулевого значения, то лавинный пробой начнется при некотором перенапряжении. Оно перераспределяется ча внешнюю нагрузку, и на ВАХ возникает участок ОДС. Однако дальнейшее изменение пробивного тока, в том числе и при уменьшении напряжения, описывается уже обычной характеристикой с положительным дифференциальным сопротивлением. При повторном измерении ВАХ подобный гистерезис возникает в том случае, если обратное смещение перед этим опять уменьшить до нулевого значения. Неполное уменьшение напряжения приводит либо к отсутствию участка ОДС, либо к меньшей его величине. Первому случаю соответствует снижение обратного смещения менее, чем на 60% от значения пробивного напряжения. При большем же его уменьаении реализуется второй случай. '

Шкззано, что причиной возникновения участка ОДС является увеличение плотности объемного заряда р-п-перэхода в результате ударной ионизации ГУ РД вблизи границы перехода - области наибольшего значения напряженности электриченского шля. При этом процесс релаксации плотности объемного заряда исследуемых образцов имеет сложную временную зависимость. Это выражается в возникновении при пробое обратных ВАХ сложного "ступенчатого" вида.

В пятой главе рассматривается пробой облученных р-п-переходов при криогенных температурах (4,2-90 К). Исследовались резкие р-п-перехода с туннельным и смешанным механизмами пробоя, изготовленные на кремнии с различным р.

О понижением температуры иь и исходных р-п-переходов претерпевают наибольшие изменения при Т<30 К. Здесь наблюдается резкое (в десятки раз) увеличение отрицательного наклона температурных зависимостей Иь. На кривых йй(Т) возникав -максимум с участком отрицательных значений, что свидетельствует о появлении на обратной ВАХ участка ОДС. Изменение исследуемых параметров у р-п-переходов, полученных на более сильнолегированном материале, выражены слабее и начинаются при меньших температурах.

При ТОО К наблюдается также резкое уменьшение барьерной емкости р-п-переходов до значений, не превышающих 1 пФ. Для об-развдв с меньшим р ее спад происходит, как и при изменении характера зависимостей иь(Т> и В<1(Т), при более низких температурах.

11

1

Подобная корреляция в поведении измеряемых параметров свидетельствует о том, что оно обусловлено одной и той же причиной - вымораживанием носителей заряда «а примесные уровни в менее легированной п-области р-п-переходов. Как известно, в этом случае барьерная емкость последних шунтируется небольшой по своей величина геометрической емкостью базы, что и приводит к столь низким измеряемым ее значениям. Более слабые изменения исследуемых параметров у сильнолегировзтшх р-п-переходов связаны с уменьшением энергетического зазора между зоной проводимости и-примесной зоной исходного кремния. Возникновение участка ОДС на ВАХ является следствием теплового разогрева образцов из-за уменьшения теплопроводности и теплоемкости материала.

С ростом в поведение напряжения пробоя при 30-90 К различается для образцов со смешанным и туннельным механизмами пробоя. Для первых оно остается вначале неизменным, а потом монотонно возрастает. Для вторых вначале уменьшается, а потом увеличивается. При этом чем меньше р, тем слабее изменения и тем при бо-лег высоких дозах облучения начинается его увеличение. Согласно литературным данным, такой характер поведения напряжения пробоя при облучении аналогичных р-п-переходов наблюдается и при 300 К. Уменьшение иъ для образцов с туннельным механизмом пробоя вызвано увеличением вероятности туннельного просачивания электронов посредством ГУ РД.

При 4,2-30 К вид кривых иь(4) не зависит от механизма пробоя р-п-переходов. С ростом « напряжение пробоя вначале уменьшается, а потом возрастает. Здесь его изменения в десятки раз больше (особенно вблизи гелиевых температур), чем при 30-90 К. В данном интервале температур электронное облучение приводит также к заметному ослаблению зависимости иь(Т). При одинаковых значениях Ф величина изменений напряжения пробоя меньше у более сильнолегированных р-п-переходов.

Дифференциальное сопротивление в результате электронного облучения монотонно возрастает во всей исследуемой области температур. При 4,2-30 К наблюдается также изменение характера зависимости Н4(Т). Последнее выражается в исчезновении участка отрицательных значений й4, а также смещения максимума на кривых НЛ(Т) в область более низких температур. Как и для Уь, изменения П меньше для р-п-переходов. с меньшим значением р базовой облас-

ти.

Факт ослабления температурной зависимости иьСГ) и исчезновения отрицательных значений дифференциального сопротивления при 4,2-30 К в результате электронного облучения имеет практическое значение. Дополнительная радиационная обработка кремниевых низковольтных стабилитронов позволяет расширить температурный диапазон их функционирования вплоть до гелиевых температур.

Показано, что поведение 1/ъ и при 4,2-30 К в результате облучения р-п-пэреходов обусловлено•влиянием РД на низкотемпературную проЕоднмость сильнолегированного кремния.

выводи

В работе выяснены основные закономерности изменения характеристик электрического пробоя кремниевых р-п-переходов в^диапазоне температур 4,2-320 К, подвергнутых облучению электронами с энергией 4 МэВ.

1. Установлено, что при электронном облучении (Е=4 ЫзВ) кремниевых плавных р-п-перзходов увеличение напряжения лавинного пробоя при комнатных температурах обусловлено изменением градиента концентрации мелких примесных центров в результате введения РД, содержащих основные легирующие примеси (Р и А1).

2. Установлено, что вероятность включения микроплазм крем-низеых плавных р-п-пэреходов с различным исходным значением напряжения пробоя увеличивается с ростом дозы электронного облучения (Е=4 МэВ) в результате соответствующего увеличения в их объеме числа свободных носителей, способных запустить лавину. Выяснено, что основным механизмом поставки таких носителей является 1а генерация с ГУ РД.

3. Показало, что путем введения в кремниевие плавные р-п-стуктуры РД можно уменьшить температурный коэффициент напряжения стабилизации стабилитронов до значений 10"5 К-1 в интервале температур 77-320 К, что недостижимо традиционными технологическими методами.

4. В области больших значений пробивных токов (>0,5 А*см-2) на ВАХ облученных электронеми с Е=4 МэВ кремниевых плавных р-п-переходов обнаружен участок отрицательного дифференциального сопротивления. Показано, что причиной его возникновения является

перезарядка ГУ РД в результате лавинно-теплового разогрева кристалла образца.

5. Установлено, что отжиг Е-центров (комплексов У-Р) приводит к изменению температурной зависимости напряжения лавинного пробоя кремниевых плавных р-п-переходов не только при температурах, соответствующих перезарядке этих центров (200-300 К), но и при более низких (77-160 К). Предложена модель, объясняющая данный эффект, с учетом изменения степени компенсации квазинейтральных областей р-п-перехода в результате отжига РД.

6. Обнаружен гистерезис ВАХ в начальной области лавинного пробоя облученных электронами с Е«4 МэВ кремниевых плавных р-п-переходов и предложен механизм его возникновения, связанный с изменением в результате ударной ионизации степени заполнения ГУ РД вблизи границы перехода.

7. Обнаружено, что с понижением температуры обратная ВАХ кремниевых резких низковольтных (3-6 В) р-п-переходов при 4,2-30 К смещается в область больших значений напряжения с немонотонным изменением своего наклона, который вначале увеличивается, а петом уменьшается до отрицательных значений. Показано, что изменение характера температурной зависимости напряжения пробоя и дифференциального сопротивления в указанной области температур обусловлено процессом вымораживания носителей заряда на урон'Ш легирующей примеси базовой области.

8. Установлено, что электронное облучении (Е=4 МэВ) кремниевых резких низковольтных (3-6 В) р-п-переходов приводит к изменению характера температурной зависимости напряжения пробоя, а такие смещения максимума на температурной зависимости дифференциального сопротивления. Показано, что данные эффекты обусловлены влиянием РД на низкотемпературную электропроводность силыюлета-рованного 31.

Основные результаты опубликованц а следующих работах:

1. А. с. 1540583 СССР, МКИ Н011 21/263. Способ изготовления тер-мокошенсировакных кремниевых лавинных стабилитронов / Ф.П.Коршунов, С.Б.Ластовский, И.Г.Марченко.- N 4446480/31-25; Заявлено 30.05.88.

2. А. с. 1Б04083 СССР, ЫКИ НС. Ь 21/263. Способ изготовления низковольтных 'стабилитронов, работающих хтри криогенных темпера-

турах / Ф. Г1. Коршунов, О.Б.Ластовски, , И.Г.Марченко.- N 4604037/31-25; Заявлено 09.11.88.

3. Коршунов Ф.П., Марченко И.Г., Ластовский С.Б. Влияние электронного облучения на низковольтные стабилитроны при криогенных температурах // Сб. мат. семин. Вопросы обеспечения радиационной стойкости ЭРИ, элементов и материалов к воздействию ИИЯВ.- Баку, 1989.- С. 70-71.

4. Коршунов Ф.П,, Ластовский С.Б., Марченко И.Г. Влияние элек- . тронного облучения на параметры ыикроплазм при пробое кремниевых р-п-структур // Докл. АК БСОР.- 1989.- Т. 33, N 3.- 0. ¿..3-221. .

5. Коршунов Ф.П., Марченко И.Г., Лестовский С.Б. Образование ВАХ S-типа при лавинном пробое облученных электронами кремниевых р-п-переходов // Докл. АН БССР.- 1990.- Т. 34, N 2.- С. 112114,

6. Коршунов Ф.П., Марченко И.Г., Ластовский С.Б. Влияние электронного облучения на кремниевые р-п-переходы с туннельным пробоем при 4,2-77 К // Весц1 АН БССР. Сер. $из-мат. навук.-1990.- N 3.- С. 54-57.

7. Коршунов Ф.П., Ластовский С.Б., Марченко И.Г. Стойкость к электронному облучению низковольтных стабилитронов при различных температурах ,'/ Сб. мат. семин. Вопросы обеспечения радиационной стойкости ЭРИ, элементов и материалов к воздействию ИИЯВ,- Харьков, 1990.- С. 149-150;

8. Коршунов Ф.П., Ластовский С.Б., Марченко И.Г., Трощинский

B.Т. Дифференциальное сопротивление в области пробоя низковольтных кремниевых р-п-переходов при 4,2-77 К, облученных быстрыми электронами // Докл. АН БССР.- 1991.- Т. 35. N 5.-

C. 413-415.

9.- Коршунов Ф.П., Кульгачев В.И., Ластовский С.Б., Марченко И.Г., Трощинский В.Т. Радиационная стойкость кремниевых стабилитронов, облученных в режиме лавинного пробоя // Сб. мат. I .Всес. научн.-техн. конф. Радиационная стойкость бортовой аппаратуры-и элементов космических аппаратов.- Томск, 1591.-С. 93-94. ,

10. Коршунов Ф.П., Ластовский С.Б., Ыарченко И.Г., Трощинский В.Т. Вольтамперные характеристики облученных кремниевых р-п-переходов в области лавинного пробоя //. Докл. АКБ.-

1992.- T. 36, H 7-8.- С. 589-691.

1t. Коршунов Ф.П., Ластовский С.Б,, Марченко И.Г. Характеристики электронно-облученных р-п-пэреходов в области лавинного пробоя // ФТП.- 1994.- Т. 28, « 3.- 0. 478-481.

12. Ластовский G.Е., Марченко И.Г. Стимулированная электронным облучением перезарядка глубоких уровней в - SI' при ■ лавинном пробое // Письма в Ш>.- 1994,- Т. 20. N 4.- С. 12-15.

13. Коршунов Ф.П., Ластовский C.B., Тровдшский В.Т. Влияние отжига на температурную зависимость напряжения пробоя облученных кремниевых р-п-переходов // Докл. AHB.- 1995.- Т. 39, N 3,0.35-38.

14. Коршунов Ф.П., Ластовский C.B. Влияние радиационных дефектов на напряжение лавинного пробоя кремниевых диффузионно-сплавных р-п-переходов // Сб. тез. докл. конф. Взаимодействие излучений с твердым телом.- Минск, 1995.- С. 79.

15. Коршунов Ф.П.,-Ластовский C.B. Влияние отаига радиационных дефектов на напрянение лавинного пробоя кремниевых р-п-переходов // Вест AHB. Сер. физ-иат. -

2.- С. 71-74.

РЕЗЮМЕ

Ластовский Станислав Брониславович "Влияние радиационных дефектов, вводимых электронным облучением, на электрический пробой кремниевых р-п-переходов".

Ключевые слова: электронное облучение, радиационные дефекты, кремниевые р-п-перехода, электрический ' пробой, обратная вольтвмперная характеристика, напряжение пробоя, отрицательное дифференциальное сопротивление, криогенные температуры.

В работе изучено влияние радиационных дефектов (РД) на характеристики электрического пробоя кремниевых р-п-переходов при 4,2-320 К. РД вводились облучением р-п-переходов электронами с энергией 4 МэВ. '

В области комнатных температур исследования впервые получена зависимость вероятности включения естественных микроплазм от дозы электронаго облучения. Установлено, что радиационные изменения обратной вольтамперной характеристики (ВДХ) диффузионно-сплавных р-п-переходов вызваны введением РД, содержащих основные легирующие примеси.

Впервые экспериментально показано, что перезарядка глубоких уровней РД приводит к возникновению на обратной ВАХ в области больших значений пробивного тока участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

Впервые обнаружено, что обратная ВАХ низковольтных (3-6 В) р-п-переходов претерпевает наиболее сильные изменения при электронном облучении в области температур 4,2-30 К, соответствующих вымораживанию носителей заряда на уровни легирующих примесей.

Результаты исследований позволяют прогнозировать работу полупроводниковых приборов с туннельным и лавинным механизмами пробоя в полях проникающих" излучений при 4,2-320 К,- а тага:е использовать. электронное облучение для изготовления термокбмпенсирован-ных кремниевых стабилитронов.

РЭЗЮМЭ

Ластоусх! Сташслау Еощпслэвшнч "Уллир радьмцыйньк дтфект?, унодаиых электронным апрамяяеинем, яа электрички прабоП кр-)меие»ых р-п-п?р«одп<?"

Юпочовыя .лоры: эляггронпае nnpaunsieuire, радыяцыЯиыя дефекты, кр^игненью р-n-пераходы, электрмчиы прабоЯ. завротаая вольт-Емперивя хррадтгрыстыка, пал руга npafiiynM, адмоуны дынаиины супор, крштшгш тэипературы

У рабоцв даследя»аяы уплыу радыяцыЯиих дефекту (РД) на хнрахгврыстыЫ ■>л?ктръмятп прр.Оою крэыеневш р-о-аераходэ.9. РД узодшягя влрамеяьгалнем р-п-перяходау электронен! с знерпяЛ <1 МэВ,

У абегау шк>< mtnpparyp даследааанн* уаершьгаю атрылшш залгжнвсць iiitiSfpuacui ушпочэиня натуральных ьикраплазмяу ад лозы злехтроииага алримчмення. Усталяяака, што родычцыйньи знянеит гаврогнаЛ волкг-мпгрнаЛ карактЕрьсстыы (В к\) дз1фуз!йий-сплаункк р-п-переяодау выкткавы увчдиимен РД, утрыдалваючш всноуныя легздяиыя дамешм.

Упершыню эу,спгр1Ш*ггтаты!а пакмпив, шго п»ри?радаа r.ibiSoitix роиеняу РД ярьводтвь да узшкненул на звсротияй ВАХ оры миШх зводокига врабфиога то*у участка з адмоуным дьгаошчиым суяоряы.

Упершыпю сьяулгиа, uno ззсротная ВАХ тзкязолыпш (3-6 В) р-п-перяхолаУ га-рышпааг .'гкАботш вггкюя зняиеня1 пры элгкгрояным апрацяпепш у абсягу тзиперагур 4,2-30 К, вдпшдпаючых «ымврииааяию воЫмтеУ краду ма ровен] лепзззвых даиеягсау.

BbtiiiKi даследэяппяу датааляюпь прагяазфязаць працу пгупргяадшкоаых прыборау з тувелмп.гн i лаатным сютшзнш! прпбою у палях врммкапмтьк аьтрамялешму, а таксмгя прыаяняпь электронна« апрамляеивв для стрьгааяпя тзрмакампепсаваньи крегдепевьй етабЫгроиау.

SUMMARY

Lsstovtky Stanitlav Broaiilavavich "Influence of Electron Irradiation Induced Radiation Defects on Uie Electrical Breakdown of Silicon p-n Junction«"

Keyword«: electron irradiation, radiation defect«, silicon p-n juoctions, electrical breakdown, reverse current-voltage characteristics, breakdown voltage, negative differential reiigtance, ciyogenic tmtperuturei.

. he influence of radiation defects (RDs) on the parameters of the electrical breakdown of the silicon p-n junctions at temperatures 4.2 - .100 K baa been studied in the thesis. RDs were introduced by the irradiation with 4 MeV electron».

The dependence of the turc-ou probability of the natural mi cr »plasmas on the electron irradiation dose has been obtained for the firet time for tfas temperature region around 300 K. It has been Mated out (hat the radiation induced changes of the reverie curreat-voltage characteristic« of the linear graded p-n junction« are caused by the introduction of RDi incorporating the main doping impurities.

U has been shown tor the tlret time experimentally that the recharging of the RD related deep level« cause« the appearance of an interval of be negative differential resistance iu the region ofInrge values of the breakdown current on the reverse cwreut-voltage characteristics.

It has been found for the first time that the reverse' current-voltage characteristics of the low-voltagf (3-6 V) p-n junction*) undergoes the most pronounced changes upon electron irradiation in the temperature range from 4.2 - 30 K where the freezing of the charge carriers to the doping irapiffity levels occurs.

The results obtained in the thesis allow to forecast the function of the semiconductor devices featuring the tunnel and avalanche breakdown mechanisms in a radiation environment at 4.2 - 300 K and to use the electron irradistioo for the decreasing of temperature coefficient of reverse voltage ofZener-diodes as well

ЛЛСТ0ВС1ШЙ Стапислаа Броиаслаяоеип

Влияние радиационных дефектов, вводннъи электронным облучением, на электрический пробой кремниевых р-п- переходов

АВТОРЕФЕРАТ диссертация на соискаля; ученой степени кандидата фпзвко-иатематичесии науя

01.04.10 - фязнка полупроводники н дашгприхоа

Подписано в печать 9.09,97 Формат 60 х&4,1У1б,

Бумага типографская Лз 1 Печать офсетнга

Отпечатано на ротапринте ЦНБ НАН РЕ 220072, Мяиск, уд Сурганова, 15

Усл.печ.л. 0525 Тираж 80 За*. 52.

Учет-юдя. 1.16 Бесштво