автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Управление статическими и динамическими параметрами силовых кремниевых приборов методом радиационного технологического процесса

Орлова Марина Николаевна

На правах рукописи

/

УПРАВЛЕНИЕ СТАТИЧЕСКИМИ И ДИНАМИЧЕСКИМИ ПАРАМЕТРАМИ СИЛОВЫХ КРЕМНИЕВЫХ ПРИБОРОВ МЕТОДОМ РАДИАЦИОННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

Специальность 05 27 01 - твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

003159840

Москва - 2007

003159840

Работа выполнена в Государственном технологическом университете «Московский институт стали и сплавов» на кафедре «Полупроводниковой электроники и физики полупроводников»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Мурашев Виктор Николаевич

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Рыжиков Игорь Вениаминович кандидат технических наук, доцент Чарыков Николай Андреевич

Ведущая организация

ГУП «ВЭИ им В И Ленина»

Защита диссертации состоится «01 » ноября 2007 г в 16 часов 20 мин на заседании диссертационного совета Д212 132 06 при Государственном технологическом университете «Московский институт стали и сплавов» по адресу Г19049, Москва, Крымский вал, д 3, ауд К-421

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Государственного технологического университета «Московский институт стали и сплавов»

Автореферат разослан «_»_2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета Доктор физико-математических наук, профессор

Гераськин В В

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Силовая микроэлектроника находит все более широкое практическое применение В современной российской промышленности существует ряд отраслей, которые составляют серьезную конкуренцию иностранным производителям Развитие отечественной силовой микроэлектроники необходимо для существования таких стратегически важных направлений, как атомная промышленность, космическая, оборонная, авиационная и многие другие Изделия силовой микроэлектроники составляют основу практически всех энергосберегающих технологий, отвечая высоким требованиям, таким как минимальные потери мощности, минимальные массово-габаритные характеристики, быстродействие, надежность и низкая стоимость Силовая микроэлектроника - одно из прогрессивных и быстро развивающихся научно-технических направлений

В настоящее время в эксплуатации находится большое количество самых разнообразных видов и типов силовых полупроводниковых приборов (СПП) При этом каждый тип СПП характеризуется целым рядом эксплутационных характеристик, которые зависят от электрофизических параметров Самыми распространенными среди СПП являются диоды, применяемые в устройствах преобразования электроэнергии, системах питания и управления технологическими процессами Основой конструкции большинства типов современных СПП диодных структур является монокристалл кремния (Э]) в виде плоской пластины

Силовые кремниевые диоды, изготовленные по стандартной (маршрутной) технологии, не всегда удовлетворяют постоянно возрастающим техническим требованиям Они обладают недостаточно высоким быстродействием, их выходные параметры зависят от большого количества технологических факторов, чем объясняется большой разброс значений эксплутационных параметров готовых изделий, что ограничивает надежность и область применения силовых кремниевых диодов Увеличение быстродействия, снижение динамических потерь мощности является основной задачей силовой микроэлектроники Одним из методов решения данных проблем является применение радиационного технологического процесса (РТП), а именно электронного облучения Стандартный метод РТП включает в себя две основные стадии радиационное воздействие и последующий стабилизирующий отжиг

Широкое использование в современной микроэлектронике РТП обусловлено высокой эффективностью комплексного управления основными электрофизическими и эксплуатационными параметрами полупроводниковых приборов При этом удается повысить

быстродействие, исправить параметрический брак и повысить выход годных приборов Однако применение РТП одновременно с повышением быстродействия часто приводит к увеличению прямого падения напряжения, что повышает статические потери мощности, а следовательно обеспечивает и рост суммарных потерь мощности Поэтому необходимо изучение особенностей влияния проникающей радиации на электрофизические (статические и динамические) параметры и совершенствование метода РТП, для более эффективного управления основными статическими, динамическими и эксплуатационными параметрами силовых кремниевых приборов не только в процессе изготовления, но и в условиях, когда традиционные технологии практически неприемлемы (например, после завершения технологического цикла изготовления)

Цель диссер1ационной работы

Разработать условия и режимы проведения операций РТП, исключающие последующий стабилизирующий отжиг, и его интеграции в основной технологический процесс изготовления силовых кремниевых приборов с улучшенным комплексом статических и динамических параметров

Для достижения поставленной цели в работе необходимо было решить следующие задачи

- исследовать влияние температуры в процессе облучения «быстрыми» электронами на статические и динамические параметры силовых кремниевых диодов,

- исследовать кинетику накопления и отжига «глубоких» радиационных центров в активных областях силовых кремниевых диодных структур в процессе проведения РТП с применением «быстрых» электронов,

- разработать режимы проведения операций РТП и способы совмещения стабилизирующего отжига с процессом облучения «быстрыми» электронами, для изготовления силовых кремниевых диодных структур с наилучшим сочетанием статических и динамических параметров,

- установить влияние воздействия режимов проведения РТП в широких диапазонах интегральных потоков «быстрых» электронов на статические и динамические параметры силовых кремниевых диодных структур

Новизна и научная ценность

Установлено влияние температуры в процессе облучения «быстрыми» электронами с энергией 5 МэВ на статические и динамические параметры силовых кремниевых диодов Определено, что облучение с плотностью потока «быстрых» электронов в диапазоне

1,7 10й - 5,5 1013 см"2 с-1 приводит к разогреву структур до температур (150 - 650) °С и предложены способы совмещения стабилизирующего отжига с процессом облучения «быстрыми» электронами, что позволило достичь оптимального сочетания статических и динамических параметров силовых кремниевых диодов 2Д237, 2Д2992 и FRED (fast recovery epitaxial diode — эпитаксиально-планарный диод с быстрым восстановлением) по сравнению с приборами, изготовленными по стандартной (маршрутной) технологии

Показано, что разработанные режимы РТП приводят к снижению основного статического параметра - прямого падения напряжения Впервые установлено, что уменьшение прямого падения напряжения происходит за счет падения напряжения в активной базе приборов вследствие образования при облучении «глубоких» радиационных центров (А, Е и дивакансии), приводящих к снижению удельного сопротивления базы диодных структур

Анализ экспериментальных данных показал, что в интервале интегральных потоков (2-8) 1016см~2при температуре 450 °С с плотностью потока электронов (Фе< 2,3 1013 см-2 с-1) вклад динамической и статической мощностей в значение суммарной мощности минимален

Практическая ценность работы

Полученные в диссертационной работе результаты использованы в ЗАО НПК «Далекс» и при разработке методического обеспечения радиационных испытаний силовых полупроводниковых приборов в ФГУП «НИИП»

Разработанные режимы РТП позволили исправить параметрический брак и восстановить работоспособность диодов 2Д237 за счет снижения времени восстановления обратного сопротивления в 800 раз

Установлено, что применение РТП в диапазоне интегральных потоков «быстрых» электронов Фс = 1 1015 - 2,6 1017 см"2 с энергией 5 МэВ приводит к снижению суммарных потерь мощности на (30 - 50) % за счет снизившихся динамических потерь мощности, что обеспечивает более безопасный тепловой режим и эксплуатационную надежность приборов в различных условиях работы

Внедрение разработанных режимов проведения радиационного технологического процесса в маршрутную технологию FRED - диодов позволило получить оптимальное сочетание электрофизических параметров

- снизить прямое падение напряжения на 30 % по сравнению с нормами ТУ и тем самым уменьшить статические потери мощности Данный эффект является новым для этого класса приборов,

- увеличить напряжение пробоя на 25 %,

- повысить быстродействие диодов за счет уменьшения времени восстановления обратного сопротивления в 10 раз В предельном случае время восстановления обратного сопротивления диодных структур снижается до субнаносекундного диапазона, сохраняя при этом значения прямого падения напряжения в рамках норм ТУ около 1,5 В

Использование результатов проведенных исследований по оптимизации режимов операций РТП позволяет достичь наилучшего сочетания комплекса статических и динамических параметров силовых кремниевых приборов, что дает значительный экономический эффект и расширяет эксплуатационные возможности приборов

Основные положения, выносимые на защиту

Экспериментальные результаты по влиянию облучения «быстрыми» электронами в диапазоне интегральных потоков Фе = 1 1015 - 2,6 1017 см"2 с энергией 5 МэВ при температуре Т = (150 - 650) °С и плотностях потока электронов <р = 1,7 10й - 5,5 1013 см-2 с"1 на статические и динамические параметры силовых кремниевых диодных структур

Разработанные режимы проведения операций РТП и способ совмещения стабилизирующего отжига с процессом облучения

Результаты исследования релаксационной спектроскопии глубоких уровней (РСГУ) при операции облучения «быстрыми» электронами, кинетики накопления и отжига «глубоких» радиационных центров

Апробация работы

Основные результаты работы доложены на

- третьей Российской школе ученых и молодых специалистов по физике, материаловедению и технологии получения кремниевых приборных структур на его основе «Кремний Школа - 2005» Москва, МИСиС 2005,

- третьей Международной конференции по физике кристаллов «Кристаллофизика XXI века» Москва - Черноголовка, 2006,

- четвертой Российской конференции с международным участием по физике, материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния и приборных структур на их основе «Кремний -2007» Москва, МИСиС 2007

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы Объем диссертации составляет 132 страницы, содержит 34 рисунка, 25 таблиц и список литературы из 89 наименований

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность и сформирована цель диссертационной работы, отражены научная новизна и практическая значимость полученных экспериментальных результатов, сформулированы основные положения, выносимые на защиту

В первой главе проведен анализ литературных данных по влиянию проникающей радиации на силовые полупроводниковые приборы Приведены сведения о физических процессах, протекающих в кремниевых полупроводниковых структурах под действием проникающей радиации («быстрые» электроны) Проанализированы первичные и вторичные процессы, приводящие к образованию в кристаллической решетке кремния «глубоких» радиационных центров На базе радиационных процессов в полупроводниках обсуждены физическая природа и свойства основных типов устойчивых радиационных центров в полупроводниковых материалах

Проникающая радиация имеет две формы электромагнитное излучение (гамма или рентгеновское) и излучение частиц (протоны, электроны, нейтроны и т д ) При прохождении через кристаллическую решетку твердого тела «быстрые» частицы теряют свою энергию вследствие ряда первичных процессов, а степень реализации того или иного механизма потери энергии зависит как от природы и энергии частицы, так и от ряда свойств облучаемого материала Наиболее чувствительным к проникающему излучению полупроводниковым материалом является кремний (Б^и) - химический элемент 4 группы периодической системы элементов Процессы взаимодействия проникающего излучения с кремнием имеют как ряд специфических особенностей, так и ряд общих закономерностей [1,2]

В процессе технологического облучения «быстрыми» электронами в области базы диодной структуры образуется ряд «глубоких» радиационных центров (РЦ), способных эффективно захватывать электроны и дырки и осуществлять их рекомбинацию и при этом компенсировать проводимость базовой области Образование в объеме полупроводниковых материалов РЦ влияет на время восстановления обратного сопротивления ?„, концентрацию основных носителей заряда п, удельное сопротивление р и ширину области

пространственного заряда (ОПЗ) в квазинейтральной области базы, а следовательно, на вид прямой и обратной ветвей вольт - амперной характеристики [2—5]

Для определения оптимального режима проведения РТП в силовых кремниевых приборах необходимо подобрать интегральный поток «быстрых» электронов, время операции облучения, плотность потока электронов, при которых происходит максимальное снижение времени восстановления обратного сопротивления te и прямого падения напряжения ¿/пр, что должно привести к возрастанию быстродействия, и тем самым, снизить динамические потери мощности и повысить рабочую частоту, а также уменьшению статических потерь мощности За основной критерий работоспособности силовых кремниевых диодных структур принимается величина суммарной рассеиваемой мощности в статическом и динамическом режимах работы

Во второй главе дано обоснование выбора объектов исследования Приведены конструктивно-технологические особенности и основные электрофизические параметры исследуемых силовых кремниевых диодных структур, описаны методики и оборудование для проведения операций РТП, измерения параметров «глубоких» радиационных центров методом релаксационной спектроскопии глубоких уровней (РГСУ), режимы проведения РТП в условиях маршрутной технологии изготовления FRED - диодов

Конструкция силовых полупроводниковых приборов должна обеспечивать их высокую эксплуатационную надежность, необходимый срок службы, минимальную массу и габаритные размеры, простое и надежное соединение с охладителем и др

В качестве объектов исследования были использованы силовые кремниевые диодные структуры, марки КЭФ с эпитаксиально-планарной структурой р+—р~—п~—п** типа 2Д237, имеющие параметрический брак, и 2Д2992, изготовленные согласно технологии на исходную пластину кремния л++-типа наращивали эпитаксиальный «"-слой, в котором затем создали двойной диффузионный р*—р~-эмиттер Вертикальный разрез диодных структур представлен на рисунке 1

т. и, А5

Рисунок 1 - Вертикальный разрез диодной структуры

Силовые кремниевые эпитаксиально-планарные диоды с быстрым восстановлением FRED - диоды, изготовлены диффузией бора в подложку кремния марки КЭФ По периметру кристалла расположены «охранные кольца» для обеспечения требуемого уровня пробивного напряжения коллектор-эмиттер Вертикальный разрез структуры FRED - диода представлен на рисунке 2

ЖЛХГНГ

Т1 - Ni - Ab

Рисунок 2 - Вертикальный разрез FRED диода

Операция радиационной обработки исследуемых диодных структур проводилась на линейном ускорители электронов ЭЛУ - 6 в диапазоне интегральных потоков «быстрых» электронов Фе = 1 1015 — 2,6 1017 см"2 с энергией 5 МэВ и плотностях потока электронов 1,7 101' — 5,5 1013 см "2 с-1, что приводило к радиационному разогреву образцов Т = (150 - 650) °С Температура при облучении является важным фактором, влияющим на электрофизические характеристики полупроводниковых приборов, и зависит от плотности интегральною пучка электронов и времени проведения операции облучения Температуру образцов в процессе облучения измеряли с помощью термопары ХК (хромель-коппель) На пластинах предпочтительнее при высоких температурах облучать приборные структуры до скрайбирования их на дискретные кристаллы и сборки

Время операции облучения интегральным потоком «быстрых» электронов рассчитывали по соотношению

фе Ф^

/= —=-Цт-» О)

<р (6,25 10 4)

где Г — время операции облучения, с, Фе — интегральный поток «быстрых» электронов, см-2, ф — плотность потока электронов, см ~2 с 51 — облучаемая площадь, см2,1е — средний ток пучка электронов, мкА

До облучения и после каждого этапа облучения измеряли следующие электрофизические параметры время восстановления обратного сопротивления прямое падение напряжения ипр, напряжение пробоя и„роб, барьерную емкое гь С в при различных значениях прямого и обратного смещения

Для измерения статических параметров на всех стадиях проведения РТП использовали измеритель характеристик полупроводниковых приборов Л2-56 Прибор Л2-56 предназначен для визуального наблюдения статических вольт-амперных характеристик (ВАХ) полупроводниковых приборов Для измерения барьерной емкости на всех этапах проведения РТП использовался прибор ИЕ-95, который предназначен для измерения емкости полупроводниковых приборных структур с р-п переходом и для измерения вольт-фарадных характеристик (ВФХ) Оценку изменения динамических свойств проводили на приборе для измерения времени восстановления обратного сопротивления Измерение параметров «глубоких» радиационных центров проводили с помощью измерителя релаксации емкости ИР-95, предназначенного для измерения параметров радиационных центров и других дефектов с глубокими уровнями методом РСГУ Показано что, выбор объектов исследования и методика эксперимента является приемлемой для исследования и разработки новых режимов РТП при высокой температуре

В третьей главе приведены экспериментальные результаты исследования статических и динамических параметров выбранных силовых кремниевых диодных структур 2Д237, 2Д2992 и FRED - диодов при облучении «быстрыми» электронами

На основе исследования релаксационной спектроскопии глубоких уровней (РСГУ) было установлено, что при операции облучения «быстрыми» электронами в базовую область силовых диодных структур вводятся «глубокие» радиационные центры, имеющие следующие энергетические уровни Ес - 0,19 эВ, Ес - 0,21 эВ (А-центр), Ес - 0,25 эВ, £с - 0,34 эВ (Е-центр), Ес - 0 38 эВ, Ес - 0,42 эВ (Дивакансии)

Экспериментально установлено, что в процессе облучения происходит отжиг Е-центров в интервале температур (200 - 350) °С Энергия активации этого процесса зависит от типа донорной примеси, входящей в состав центра, так как при введении примесей, ковалентный радиус которых отличается от ковалентного радиуса кремния, происходит микродеформация решетки Температура отжига Е-центров существенно сдвигается в сторону более высоких температур при увеличении концентрации доноров, что связано с изменением зарядового состояния центров В интервале температур (400 - 500) °С отжигаются А-центры с энергией активации 1,4 эВ Температура полного отжига А-центров растет с увеличением потока облучения Дивакансии отжигаются (диссоциируют) в интервале температур (450 - 600) °С с энергией активации 1,25 эВ, при этом отжиг идет в две стадии примерно 40 % РЦ отжигается при температуре 450 °С, а остальные 60 % - при 600 °С

С ростом интегрального потока электронов наблюдается значительное возрастание скорости образования Е-центров с участием основной легирующей примеси (фосфора) и снижение скорости образования центров Е0 - 0,42 эВ с участием остаточной примеси (кислорода), также появляются новые «глубокие» РЦ, имеющие энергетические уровни Ес - 0,50 эВ, Ес - 0,53 эВ и Ес - 0,54 эВ, увеличивающие концентрацию основных носителей заряда в и-области На рисунках 3-5 показаны спектры РСГУ исходных и облученных «быстрыми» электронами исследуемых образцов

Рисунок 3 - Спектры РСГУ исходного (1) и облученного «быстрыми» электронами (2) с Ф„=2 1016 см"2 диода 2Д237

Рисунок 4 - Спектры РСГУ исходного (1) и облученного «быстрыми» электронами (2) с

Рисунок 5 — Спектры РСГУ исходного (1) и облученного «быстрыми» электронами (2) с Ф„=2,5 1016 см2 FRED - диода

На рисунках 6, 7 приведены результаты основных электрофизических параметров диодных структур 2Д237 и 2Д2992 после облучения интегральным потоком «быстрых» электронов с плотностью потока электронов в диапазоне 1,7 10и-2 1013 см-2 с-1, такая плотность потока приводит к разогреву пластин со структурами до температур (300-450) "С,

11

интегральный поток «быстрых» электронов набирался с шагом от МО1' см 2 до 2-1016 см "

1 I

1 !

ч 1

11

1Е+-15 1Е + 1В 1Е+1Т

Ф#гей ± ' гдяга

Рисунок 6 — Зависимое™, времени восстановления обратного сопротивления I. диодов 2Д237 н 2Д2992 от интегральног о потока «быстрых» элекгронов Ф;

* 2И.237 ' 20299?

Рйеунок 7 - "Зависимости прямого падения напряжения Ц» диодов 2Д237 ! 2Д2992 от интегрального потока «быстрых» электронов Фс

Анализ экспериментальных данных показывает, что оптимальный режим проведения РТП, при котором происходит улучшение основных электрофизических параметров диодов 2Д237 и 2 Д2992, следующий: температура (300 - 400) "С; диапазон интегральных потоков «быстрых» электронов (2- -8)-) О1'" см~~; плотность потока электронов не больше 2-10''см~г с_|; время облучения (15 - 20) мин.

На рисунках 8, 9 приведены зависимости основных Электрофизических параметров Ь'ЕШи - диодов от интегрального потока «быстрых» электрон.

О 1Е+16 2Е+16 ЗЕ+16 4Е+1

фе см2

Рисунок 8 — Зависимость времени восстановления обратного сопротивления t, FRED - диодов от интегрального потока «быстрых» электронов Фс

20 - — ----- - ---- -- ------,

18 : {

16 14 • 1 i i l

„ 12 ш а. Ю = 8 т l t

6 4 2 0 1 i I I l i

О 1Е+16 2Е+16 36*16 4Е+16

фе си'7

■ 1пр = 10мА * 1пр - 103 мА I !пр - 500 мА * 1пр - 1А о!пр = 2А

Рисунок 9 — Зависимость прямого падения напряжения !7„рРКЕО - диодов от интегрального потока «быстрых» электронов Фе

В таблице 1 представлены режимы проведения РТП и основные электрофизические параметры FRED - диодов, полученные в результате облучения

Таблица 1 - Режимы проведения РТП и электрофизические параметры FRED - диодов

Интегральный поток электронов, см2 Плотность потока пучка электронов, см с'[ Температура, °С Время операции облучения, мин Время восстановления обратного сопротивления, НС Прямое падение напряжения при постоянном прямом токе, В

10 мА 100 мА 500 мА 1А 2А

До облучения - - - 50 2,6 5,5 9,6 12,9 16,5

1,0 10" 1,0 10й 300 15 35 4,5 6,9 11,1 15,0 17,8

2,5 Ю1" 2,3 10,J 450 16 10 1,6 3,5 6,6 8,5 12,3

3,3 10" 5,5 10IJ 650 10 5 2,4 4,8 9,0 11,0 14,9

Анализ таблицы 1 показывает, что оптимальный режим проведения РТП, при котором происходит улучшение основных электрофизических параметров FRED - диодов, следующий температура в процессе облучения 450°С, интегральный поток «быстрых» электронов 2,5 1016 см""2, плотность поток электронов (Фе< 2,3 1013 см-2 с-'), время облучения 16 мин

Наиболее чувствительным параметром к воздействию проникающей радиации, как и предполагалось, оказалось время восстановления обратного сопротивления, характеризующее динамические свойства (быстродействие) диодов Этот параметр начинает уменьшаться уже при малом интегральном потоке «быстрых» электронов Зависимость te от интегрального потока имеет монотонный характер При этом повышается быстродействие

13

структур 2Д237 в 800 раз, 2Д2992 в 100 раз, а у FRED - диодов быстродействие увеличилось в 10 раз по сравнению с исходивши сфуктурами Таким образом, проведение РТП снижает te, тем самым - увеличивает быстродействие и позволяет уменьшить динамические потери мощности

Наблюдаемая зависимость г«(Фе) объясняется линейной связью времени восстановления с временем жизни неосновных носителей заряда в базовой области диодов, которое, в свою очередь, обратно пропорционально концентрации «глубоких» РЦ, образующихся в базовой области диода при облучении «быстрыми» электронами [3, 7]

Экспериментально установлено, что облучение «быстрыми» электронами с повышенной интенсивностью (ср < 2,3 Ю13 см-2 с-1) приводит к разогреву в процессе облучения пластин со структурами до 450°С и отжиг не стабильных РЦ происходит непосредственно в процессе облучения за счет нагрева образцов под действием пучка электронов В результате происходит совмещение стабилизирующего отжига с процессом облучения При таких режимах, в интервале интегральных потоков «быстрых» электронов (2—8) 10,6см-2 установлено, снижение основного статического параметра - прямого падения напряжения Показано, что повышение температуры облучения замедляет темп возрастания прямого падения напряжения при приведении РТП Снижение (УПр обусловлено образованием «глубоких» РЦ донорного характера, приводящих к увеличению концентрации носителей заряда в базовой области При интегральном потоке электронов выше 2,5 1016 см"2 стабильность свойств нарушается, снижение Unp прекращается, а загем происходит его увеличение Значительный рост U„р при облучении, возможно, обусловлен малой концентрацией фосфора в базовой и-области исследуемых структур и компенсирующим действием РЦ (уже при относительно не больших потоках «быстрых» электронов Фе< 2 1016 см"2), приводящем к росту удельного электросопротивления базовой я-области

Таким образом, установлено влияние температуры, времени облучения и плотности интегрального потока «быстрых» электронов на статические и динамические параметры силовых диодных структур при проведении РТП

Глава четыре содержит расчеты основных электрофизических параметров силовых диодных структур после проведения операций РТП с целью определения режимов для получения приборов с наилучшими эксплуатационными характеристиками

Важнейшей характеристикой кремниевой диодной р—и-структуры является ВАХ Вид ВАХ в первую очередь определяется электрофизическими параметрами и геометрическими размерами базовой области При радиационной (обработке независимо от вида проникающего излучения) в кремниевых диодных структурах основное изменение

электрофизических параметров отражается на прямой ветви ВАХ, где изменяется основной статический параметр - прямое падение напряжения и*? [6]

Полное падение напряжения на диоде при некоторой постоянной плотности тока равно

и„р = ир„п +иб+ик, (2)

где — падение напряжения на р—и-переходе, В, Щ — падение напряжения на базе диода, В, ¡Ук — падение напряжения на приконтактных областях, В

Входящие в уравнение (2) слагаемые определяются следующим образом Напряжение на р—«-переходе равно

ткТ , т

ир-п=— 1п—> (3)

Ч то

где к — постоянная Больцмана, эВ К-1, Т — температура, К, т0, г - время жизни неосновных носителей заряда до и после облучения «быстрыми» электронами соответственно, с

Так как время жизни неосновных носителей заряда т при облучении монотонно убывает, то напряжение IIр „, согласно выражению (3), должно уменьшатся

Изменение Уц при высоком уровне инжекции (д:>>1) определяется как

-^^_12

ЗЫ^

£'+1

в

(4)

где Ъ = |1п / Цр, ц„, йр ~ подвижность электронов и дырок, см В с , 1¥6 — ширина

базы, мкм, £ — диффузионная длина, мкм, В = ---—, х— уровень инжекции

л Ь +1

При низком уровне инжекции (х«1) выражение (4) можно представить в виде

ЪР (5)

Из выражения (5) видно, что в диодах С/в при облучении определяется изменением удельного сопротивления р, это приводит к увеличению падения напряжения на базе, дающего основной вклад в полное прямое падения напряжения на диодной структуре

Обратная ветвь ВАХ диодов характеризуется напряжением пробоя Аналитическое выражение для изменения С/„роа при воздействии излучения на р-п переход в базе п-81 имеет вид

где рв - удельное сопротивление базы диода, Ом см, Кр - коэффициент радиационного изменения удельного сопротивления

Физический смысл коэффициента Кр определяется выражением

где п0 - концентрация носителей заряда в зоне проводимости до облучения, см"3, Ли

— - скорость изменения концентрации основных носителей заряда при облучении, см 1

Экспериментально доказано, что облучение «быстрыми» электронами приводит к росту удельного сопротивления в базе и уменьшает градиент концентрации примеси в р-п переходе, что приводит к определенному росту напряжения пробоя и„р0б

Для выбора оптимальных режимов проведения РТП с целью получения наилучшего сочетания комплекса электрофизических параметров исследуемых силовых диодных структур, был проведен анализ суммарной рассеиваемой мощности при работе диодов в импульсно-частотном режиме Выделяемая (рассеиваемая) на диоде суммарная мощность Реум мощность определяется в виде двух составляющих статической мощности Рс, выделяемой за счет прямого падения напряжения на диоде в открытом состоянии и динамической мощности Рд, выделяемой за счет переходных процессов при переключении из открытого состояния в закрытое (определяется временим восстановления обратного сопротивления)

Статические потери мощности Рс характеризуется изменениями, происходящими на прямой ветви ВАХ, и определяются по формуле

где и0 - пороговое напряжение диода, В, га„„ - динамическое сопротивление линейного участка прямой ветви ВАХ, Ом

(6)

и0+гОш1 1„р\

(8)

Динамические потери мощности Р„ определяются длительностью переходных процессов, которые пропорциональны эффективному времени жизни неосновных носителей заряда в базе диода, и определяются по формуле

-и*,'./.

где - прямой импульсный ток, А; U^ - обратное напряжение. В;/- частота коммутации диода, Гц.

Используя экспериментально полученные зависимости '„(Ф^-), С7„р(Фе) был проведен расчет суммарных потерь рассеиваемой мощности для диодных структур 2Д237. 2Д2ОД2 при/= 10 МГц и FRED - диодов при разных значениях частоты коммутации. Зависимость суммарных логерь рассеиваемо Г! мощности от интегрального потока облучения представлена на рисунках \0. 11.

30

» й X

IS -

s

о

V*

ТЕ + TS 1ÊH6 16*17 1£+1в

i 2ДКВ2 * 2Д2Э7

Рисунок 10 - Зависимость суммарных потерь мощности диодов 2Д237 н 2Д2992 от интегрального потока «быстрых» элерггронов Фс

0 1E+W !E11S 3EtK (Е-И6

С V *

щ 1Ы1Г11 if МГц, * >0 МГц ■ 100 МГц * ЬООМГц

Рисунок 11 - Зависимость суммарных потерь мощности FRtirj - диодов от интегрального потока кбыс грых» электронов Фс

Поскольку я процессе облучения уменьшается время восстало ил енн я обратного сопротивления за счет уменьшения время жизни носителей в базе диода, то величина Рл также снижается на всем промежутке интегральных потоков.

На основании экспериментальных данных установлено, что при не больших потоках облучения (Фс < 2-1 ()"' см"') основной вклад в суммарные потерн мощности вносит динамическая составляющая, снижение которой опережает рост статической мощности- В интервале потоков (2—8) 10"' см * при температуре 450"С с плотностью потока электронов не больше 2,3'Ю1' см"7-с 1 вклад динамической и Статической мощностей в значение

суммарной мощности минимален При больших потоках «быстрых» электронов (Фе > 8 1016 см"2) увеличение Рс опережает снижение Рд, тем самым определяет общий характер наблюдаемых при облучении изменений суммарной рассеиваемой мощности Рсум Таким образом, РТП позволяет снизать суммарные потери мощности и тем самым расширить диапазон рабочих частот

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1 Анализ экспериментальных результатов по влиянию операций РТП на динамические и статические параметры силовых кремниевых диодных структур позволил осуществить выбор оптимальных режимов облучения, исключающих последующий стабилизирующий отжиг Использование операций облучения «быстрыми» электронами с интегральным потоком (2 - 8) 1016 см2, плотностью потока до 2,3 1013 см"2 с"1, временем облучения 15 мин позволяет

- повысить быстродействие диодов 2Д237 в 800 раз, 2Д2992 в 100 раз, 10 раз FRED -диодов,

- уменьшить суммарные потери мощности на (30 - 50) %, за счет снизившихся статических и динамических потерь мощности на (30 - 40) % и тем самым расширить диапазон рабочих частот на (20 - 30) %

2 Применение операций РТП в разработанных режимах (Фс = (2 - 8) 1016 см-2, <р = (1,7 - 2) 1013 см"2 с"1, t = (10 - 17) мин, Т = (300 - 450)°С ) приводит к снижению основного статического параметра - прямого падения напряжения на (30 - 50) % по сравнению с нормами ТУ за счет падения напряжения в активной базе приборов вследствие образования при облучении «глубоких» радиационных центров Ес - 0 42 эВ, Ес - 0,50 эВ, Ес - 0,53 эВ, Ес - 0,54 эВ, приводящих к снижению удельного сопротивления базы диодных структур

3 На основании экспериментальных данных установлено, что в интервале потоков (2 - 8) 1016 см""2 при температуре облучения 450°С с плотностью потока электронов не больше 2,3 10° см-2 с-1 вклад динамической и статической мощностей в значение суммарной мощности минимален

4 На основе исследования спектров РСГУ показано, что при проведении операции облучения «быстрыми» электронами в диапазоне интегральных потоков Фе = 1 1015 -2,6 1017см""2 с энергией 5 МэВ в базовую область силовых диодных структур вводятся «глубокие» РЦ, имеющие следующие энергетические уровни Е0 - 0,19 эВ, Ес - 0,21 эВ (А-центр), Ей - 0,25 эВ, Ес - 0,34 эВ (Е-центр), Ес - 0 38 эВ, £с - 0,42 эВ (Дивакансии), а

также появляются новые «глубокие» РЦ, имеющие энергетические уровни Ес - 0,50 эВ, Ес - 0,53 эВ и £с - 0,54 эВ и увеличивающие концентрацию основных носителей заряда в базовой области диода

5 Теоретические и экспериментальные исследования кинетики накопления и отжига «глубоких» радиационных центров в активных областях силовых кремниевых диодных структур в процессе проведения РТП с плотностью потока «быстрых» электронов в диапазоне 1,7 10й - 5,5 101! см~2с~' позволили установить, что отжиг Е-центров происходит в интервале температур (200 - 350) °С Темперагура отжига Е-центров существенно сдвигается в сторону более высоких температур при увеличении концентрации доноров, что связано с изменением зарядового состояния центров В интервале температур (400 - 500) °С отжигаются А-центры Температура полного отжш а А-центров растет с увеличением потока облучения Дивакансии отжигаются (диссоциируют) в интервале температур (450 - 600) °С При этом отжиг идет в две стадии примерно 40 % РЦ отжигается при температуре 450 °С, а остальные 60 % — при 600 °С

Список литературы

1 Действие проникающей радиации на изделия электронной техники / Под ред Е А Ладыгина —М Советское радио, 1980

2 Вавилов В С , Кив А Е , Ниязова О Р Механизмы образования и миграция дефектов в полупроводниках—М Наука, 1981

3 Лукьянина В В / Уровни вакансий и межузельных атомов в запрещенной зоне кремния // Физика и техника полупроводников -2003 -Т 37 -№4

4 Радиационная стойкость широкозонных полупроводников / Лебедев А А , Козловский

В В , Строкан Н Б , Давыдов Д В , Иванов А М , Стрельчук А М , Якимова Р // Физика и техника полупроводников -2002 -Т 36 -№11

5 Основы радиационной технологии микроэлектроники Первичные процессы образования радиационных центров в полупроводниковых кристаллах Ч 1 / ЕА Ладыгин, А В Паничкин, Н Н Горюнов и др — М МИСиС, 1994

6 Ладыгин Е А , Коновалов М П, Орлова М Н , Ручкин М В , Лагов П Б , Сурма А М Повышение быстродействия и радиационной стойкости силовых кремниевых диодов с применением радиационного технологического процесса // Вопросы атомной науки и техники Сер Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру 2006 Вып 1—2 С 29—37

7 Основы радиационной технологии микроэлектроники Механизмы образования и физическая природа радиационных центров в полупроводниковых структурах Ч 2 / Е А Ладыгин, А В Паничкин, НН Горюнов и др —М МИСиС, 1994

Список опубликованных работ во теме диссертации

1 Ладыгин Е А, Лагов П Б, Орлова М Н, Калачев А Н Влияние облучения быстрыми электронами на электрофизические параметры кремниевых эпитаксиально-планарных диодных структур // Тезисы докладов третьей Российской школе ученых и молодых специалистов по физике, материаловедению и технологии получения кремниевых приборных структур на его основе «Кремний Школа - 2005» Москва - МИСиС, 2005 С 187

2 Ладыгин Е А, Коновалов М П, Орлова М Н , Ручкин М В , Лагов П Б , Сурма А М Повышение быстродействия и радиационной стойкости силовых кремниевых диодов с применением радиационного технологического процесса // Вопросы атомной науки и техники Сер Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру 2006 Вып 1-2 С 29-37

3 Коновалов М П, Ладыгин Е А, Лагов П Б, Орлова М Н, Ручкин М В , Сурма А М Энергетическое положение и концентрация глубоких радиационных центров в базовой области силовых кремниевых р-n структур при облучении и отжиге //Тезисы докладов Третьей Международной конференции по физике кристаллов «Кристаллофизика XXI века» Москва-МИСиС, 2006 С 337-338

4 Ладыгин Е А, Орлова М Н , Волков Д Л Основные типы радиационных центров и их влияние на электрофизические параметры кремниевых диодных структур при обработке быстрыми элеюронами // Известия высших учебных заведений Материалы электронной техники №2 2007 С 22-27

5 Орлова М Н, Волков Д Л Разработка и исследование высокотемпературного радиационного технологического процесса для создания силовых кремниевых структур (приборов) с улучшенными электрофизическими параметрами // Тезисы докладов Четвертой Российской конференции с международным участием по физике, материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния и приборных структур на их основе «Кремний - 2007» Москва, МИСиС 2007

-"Л

Отпечатано на оборудовании ООО « Возрождение» 125124, Москва, Сходненский тупик, 4 Печать трафаретная Бумага офсетная №1 Формат 60x84 1/16 Уел Печ л 1,5 Тир 100 экз Заказ 1233 Подписано в печать 19 09 07

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАДИАЦИОННОЙ ФИЗИКИ

ПОЛУПРОВОДНИКОВ

1.1 Физические процессы, возникающие в кремнии при радиационном технологическом процессе с применением «быстрых» электронов

1.2 Механизм образования и физическая природа «глубоких» радиационных центров в кремнии

1.3 Кинетика отжига радиационных центров

1.4 Поверхностные радиационные эффекты

1.5 Выводы к главе

ГЛАВА 2. ХАРАКТЕРИСТИКА ИССЛЕДУЕМЫХ СИЛОВЫХ КРЕМНИЕВЫХ ДИОДНЫХ СТРУКТУР. ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1 Методика радиационного технологического процесса

2.2 Обоснование выбора объектов исследования

2.2.1 Конструктивно-технологические особенности и характеристики объектов исследования

2.2.2 Разработка технологического маршрута изготовления FRED диодов с применением РТП

2.3 Оборудование радиационной обработки «быстрыми» электронами - Линейный ускоритель «Электроника ЭЛУ - 6»

2.4 Методика и оборудование для измерения релаксационной спектроскопии глубоких уровней в полупроводниковых структурах

2.4.1 Методика релаксационной спектроскопии глубоких уровней (РСГУ)

2.4.2 Измеритель релаксации емкости

2.4.3 Методика расчета параметров глубоких уровней из спектра РСГУ

2.5 Методика и оборудование для измерения статических и динамических параметров диодных структур

2.5.1 Измеритель характеристик полупроводниковых приборов Л2

2.5.2 Прибор для измерения времени восстановления обратного сопротивления времени на основе цифрового осциллографа

2.5.3 Измеритель емкости диодных структур ИЕ - 95 2.6 Выводы к главе

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СТАТИЧЕСКИХ И ДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СИЛОВЫХ КРЕМНИЕВЫХ ДИОДНЫХ СТРУКТУР

С ПРИМЕНЕНИЕМ РАДИАЦИОННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

3.1 Спектроскопия «глубоких» уровней методом РСГУ

3.2 Влияние режимов операций РТП на статические параметры

3.3 Влияние режимов операций РТП на динамические параметры

3.4 Выводы к главе

ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ РАДИАЦИОННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА НА СТАТИЧЕСКИЕ И ДИНАМИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ СИЛОВЫХ КРЕМНИЕВЫХ

ДИОДНЫХ СТРУКТУР

4.1 Расчет динамики изменения статической и динамической мощностей при облучении «быстрыми» электронами

4.2 Влияние РТП на вольт - амперные характеристики силовых кремниевых диодных структур

4.3 Влияние облучения «быстрыми» электронами на концентрацию носителей заряда и распределение примеси в активных областях диодных структур

4.4 Положение уровня Ферми, в кремнии облученного интегральным потоком «быстрых» электронов

4.5 Влияние облучения «быстрыми» электронами на удельное электросопротивление силовых кремниевых диодных структур

4.6 Моделирование работы силового диода 105 4.7 Выводы к главе

Силовая микроэлектроника находит все более широкое практическое применение. В современной российской промышленности существует ряд отраслей, которые составляют серьезную конкуренцию иностранным производителям. Развитие отечественной силовой микроэлектроники необходимо для существования таких стратегически важных направлений, как атомная промышленность, космическая, оборонная, авиационная и многие другие. Изделия силовой микроэлектроники составляют основу практически всех энергосберегающих технологий, отвечая высоким требованиям, таким как минимальные потери мощности, минимальные массово-габаритные характеристики, быстродействие, надежность и низкая стоимость. Силовая микроэлектроника - одно из прогрессивных и быстро развивающихся научно-технических направлений.

В настоящее время в эксплуатации находится большое количество самых разнообразных видов и типов силовых полупроводниковых приборов (СПП). При этом каждый тип СПП характеризуется целым рядом эксплутационных характеристик, которые, в свою очередь, определяются зависимостями от электрофизических параметров. Самыми распространенными среди СПП являются диоды, применяемые в устройствах преобразования электроэнергии, системах питания и управления технологическими процессами и т.п. Основой конструкции большинства типов современных СПП диодных структур является монокристалл кремния (Si) в виде плоской пластины.

Силовые кремниевые диоды, изготовленные по стандартной (маршрутной) технологии, не всегда удовлетворяют постоянно возрастающим техническим требованиям. Они обладают недостаточно высоким быстродействием, их выходные параметры зависят от большого количества технологических факторов, чем объясняется большой разброс значений эксплутационных параметров готовых изделий, что ограничивает надежность и область применения силовых кремниевых диодов. Увеличение быстродействия, снижение динамических потерь мощности является основной задачей силовой микроэлектроники. Одним из методов решения данных проблем является применение радиационного технологического процесса (РТП), а именно электронного облучения. Стандартный метод РТП включает в себя две основные стадии: радиационное воздействие и последующий стабилизирующий отжиг.

Широкое использование в современной микроэлектронике РТП обусловлено высокой эффективностью комплексного управления основными электрофизическими и эксплуатационными параметрами полупроводниковых приборов. При этом удается повысить быстродействие, исправить параметрический брак и повысить выход годных приборов. Однако применение РТП одновременно с повышением быстродействия часто приводит к увеличению прямого падения напряжения, что приводит к увеличению статических потерь мощности, а следовательно и росту суммарных потерь мощности. Поэтому необходимо изучение особенностей влияния проникающей радиации и совершенствование метода РТП, для более эффективного управления основными электрофизическими (статическими и динамическими) и эксплуатационными параметрами силовых кремниевых приборов не только в процессе изготовления, но и в условиях, когда традиционные технологии практически неприемлемы (например, после завершения технологического цикла изготовления).

Цель диссертационной работы

Разработать условия и режимы проведения операций РТП, исключающие последующий стабилизирующий отжиг, и его интеграции в основной технологический процесс изготовления силовых кремниевых приборов с улучшенным комплексом статических и динамических параметров.

Для достижения поставленной цели в работе необходимо было решить следующие задачи:

- исследовать влияние температуры в процессе облучения «быстрыми» электронами на статические и динамические параметры силовых кремниевых диодов;

- исследовать кинетику накопления и отжига «глубоких» радиационных центров в активных областях силовых кремниевых диодных структур в процессе проведения РТП с применением «быстрых» электронов;

- разработать режимы проведения операций РТП и способы совмещения стабилизирующего отжига с процессом облучения «быстрыми» электронами, для изготовления силовых кремниевых диодных структур с наилучшим сочетанием статических и динамических параметров;

- установить влияние воздействия режимов проведения РТП в широких диапазонах интегральных потоков «быстрых» электронов на статические и динамические параметры силовых кремниевых диодных структур.

Новизна и научная ценность

Установлено влияние температуры в процессе облучения «быстрыми» электронами с энергией 5 МэВ на статические и динамические параметры силовых кремниевых диодов. Определено, что облучение с плотностью потока «быстрых» электронов в диапазоне 1,7-10й -5,5-1013 см"2-с 1 приводит к разогреву структур до температур (150 - 650) °С и предложены способы совмещения стабилизирующего отжига с процессом облучения «быстрыми» электронами, что позволило достичь оптимального сочетания статических и динамических параметров силовых кремниевых диодов 2Д237, 2Д2992 и FRED (fast recovery epitaxial diode эпитаксиально-планарный диод с быстрым восстановлением) по сравнению с приборами, изготовленными по стандартной (маршрутной) технологии.

Показано, что разработанные режимы РТП приводят к снижению основного статического параметра - прямого падения напряжения. Впервые установлено, что уменьшение прямого падения напряжения происходит за счет падения напряжения в активной базе приборов вследствие образования при облучении «глубоких» радиационных центров (А, Е и дивакансии), приводящих к снижению удельного сопротивления базы диодных структур.

Анализ экспериментальных данных показал, что в интервале интегральных потоков (2—8)-1016 см-2 при температуре 450 °С с плотностью потока электронов (Фе < 2,3-1013 см~2-с~') вклад динамической и статической мощностей в значение суммарной мощности одинаков.

Практическая ценность работы

Полученные в диссертационной работе результаты использованы в ЗАО НПК «Далекс» и при разработке методического обеспечения радиационных испытаний силовых полупроводниковых приборов в ФГУП «НИИП».

Разработанные режимы РТП позволили исправить параметрический брак и восстановить работоспособность диодов 2Д237 за счет снижения времени восстановления обратного сопротивления в 800 раз.

Установлено, что применение РТП в диапазоне интегральных потоков «быстрых» электронов Фе= МО15 - 2,6-Ю17 см-2 с энергией 5 МэВ приводит к снижению суммарных потерь мощности на (30 - 50) % за счет снизившихся динамических потерь мощности, что обеспечивает более безопасный тепловой режим и эксплуатационную надежность приборов в различных условиях работы.

Внедрение разработанных режимов проведения радиационного технологического процесса в маршрутную технологию FRED - диодов позволило получить оптимальное сочетание электрофизических параметров:

- снизить прямое падение напряжения на 30 % по сравнению с нормами ТУ и тем самым уменьшить статические потери мощности. Данный эффект является новым для этого класса приборов;

- увеличить напряжение пробоя на 25 %;

- повысить быстродействие диодов за счет уменьшения времени восстановления обратного сопротивления в 10 раз. В предельном случае время восстановления обратного сопротивления диодных структур снижается до субнаносекундного диапазона, сохраняя при этом значения прямого падения напряжения в рамках норм ТУ около 1,5 В.

Использование результатов проведенных исследований по оптимизации режимов операций РТП позволяет достичь наилучшего сочетания комплекса статических и динамических параметров силовых кремниевых приборов, что дает значительный экономический эффект и расширяет эксплуатационные возможности приборов.

Основные положения, выносимые на защиту

Экспериментальные результаты по влиянию облучения «быстрыми» электронами в диапазоне интегральных потоков Фе= МО15 - 2,6-1017 см-2 с энергией 5 МэВ при температуре Т = (150 - 650) °С и плотностях потока электронов <р = 1,7-10й - 5,5-1013 см~2-с~' на статические и динамические параметры силовых кремниевых диодных структур.

Разработанные режимы проведения операций РТП и способ совмещения стабилизирующего отжига с процессом облучения.

Результаты исследования релаксационной спектроскопии глубоких уровней (РСГУ) при операции облучения «быстрыми» электронами, кинетики накопления и отжига «глубоких» радиационных центров.

4.7 Выводы к главе 4

Полученные экспериментальные данные показывают большую эффективность методики РТП для управления (улучшения) электрическими параметрами силовых диодных структур. Введение операций РТП (облучения быстрыми электронами и отжига) в широком диапазоне интегральных потоков позволяет получать следующие положительные результаты:

- многократно увеличить быстродействие (в 2-25 раз);

- расширить диапазон предельных рабочих частот (до 10 МГц);

- в зависимости от требований разработчиков силовой РЭА получать оптимальное сочетание предельной частоты и суммарной рассеиваемой мощности;

- снизить значения барьерной емкости диодных структур и повысить электропрочность.

Повышение быстродействия и получение принципиально нового сочетания статических и динамических параметров значительно расширяет области применения исследуемых диодных структур.

Анализ экспериментальных данных показал, что проведении РТП в разработанных режимах приводит к увеличению концентрации носителей заряда в области базы, и снижению удельного сопротивления. Однако увеличение потока облучения происходит к снижению концентрации основных носителей заряда, приводящего к экспоненциальному росту удельного электросопротивления базовой «-области. Это приводит к увеличению падения напряжения на базе, дающего основной вклад в полное прямое падение напряжения на диодной структуре.

При контролируемой радиационной обработке полупроводниковых структур быстрыми частицами, наряду с опережающим эффектом снижения времени жизни неосновных носителей заряда можно эффективно регулировать удельное электросопротивление. В основном это достигается за счет компенсации основной легирующей примеси, вводимыми при обработке глубокими радиационными центрами и изменением концентрации носителей заряда.

На основании экспериментальных данных установлено, что при не больших потоках облучения (Фе< 2Т016 см"2) основной вклад в суммарные потери мощности вносит динамическая составляющая, снижение которой опережает рост статической мощности. В интервале потоков (2 - 8)-1016 см~2 при температуре 450°С с плотностью потока электронов не больше 2,3-1013см"2-с1 вклад динамической и статической мощностей в значение суммарной мощности одинаков.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании проведенных исследований сделаны следующие выводы.

1. Анализ экспериментальных результатов по влиянию операций РТП на динамические и статические параметры силовых кремниевых диодных структур позволил осуществить выбор оптимальных режимов облучения, исключающих последующий стабилизирующий отжиг. Использование операций облучения «быстрыми» электронами с интегральным потоком (2 - 8)-1016 см*2, плотностью потока до 2,3-1013 см"2-с"', временем облучения 15 мин позволяет:

- повысить быстродействие диодов 2Д237 в 800 раз, 2Д2992 в 100 раз, 10 раз FRED -диодов;

- уменьшить суммарные потери мощности на (30 - 50) %, за счет снизившихся статических и динамических потерь мощности на (30 - 40) % и тем самым расширить диапазон рабочих частот на (20 - 30) %.

2. Применение операций РТП в разработанных режимах (Фе = (2 - 8)-1016 см-2, <р = (1,7 - 2)-1013 см"2-с"', t = (10 - 17) мин, Т = (300 - 450)°С ) приводит к снижению основного статического параметра - прямого падения напряжения на (30 - 50) % по сравнению с нормами ТУ за счет падения напряжения в активной базе приборов вследствие образования при облучении «глубоких» радиационных центров Ес - 0.42 эВ, Ес - 0,50 эВ, Ес - 0,53 эВ, Ес -0,54 эВ, приводящих к снижению удельного сопротивления базы диодных структур.

3. На основании экспериментальных данных установлено, что в интервале потоков (2-8)-1016 см-2

1 % —"у 1 при температуре облучения 450°С с плотностью потока электронов не больше 2,3-10 см -с" вклад динамической и статической мощностей в значение суммарной мощности минимален.

4. На основе исследования спектров РСГУ показано, что при проведении операции облучения «быстрыми» электронами в диапазоне интегральных потоков Фе = МО15 - 2,6 -10 см с энергией 5 МэВ в базовую область силовых диодных структур вводятся «глубокие» РЦ, имеющие следующие энергетические уровни: Ес - 0,19 эВ, Ес - 0,21 эВ (А-центр); Ес - 0,25 эВ, Ес - 0,34 эВ (Е-центр); Ес - 0.38 эВ, Ес - 0,42 эВ (Дивакансии), а также появляются новые «глубокие» РЦ, имеющие энергетические уровни: Ес - 0,50 эВ, Ес - 0,53 эВ и Ес - 0,54 эВ и увеличивающие концентрацию основных носителей заряда в базовой области диода.

5. Теоретические и экспериментальные исследования кинетики накопления и отжига «глубоких» радиационных центров в активных областях силовых кремниевых диодных структур в процессе проведения РТП с плотностью потока «быстрых» электронов в диапазоне 1,7-Ю11 -5,5-1013 см~2-с-1 позволили установить, что отжиг Е-центров происходит в интервале температур (200 - 350) °С. Температура отжига Е-центров существенно сдвигается в сторону более высоких температур при увеличении концентрации доноров, что связано с изменением зарядового состояния центров. В интервале температур (400 - 500) °С отжигаются А-центры.

Температура полного отжига А-центров растет с увеличением потока облучения. Дивакансии отжигаются (диссоциируют) в интервале температур (450 - 600) °С. При этом отжиг идет в две стадии: примерно 40 % РЦ отжигается при температуре 450 °С, а остальные 60 % - при 600 °С. Таким образом, использование результатов проведенных исследований по оптимизации режимов операций РТП позволяет достичь наилучшего сочетания комплекса статических и динамических параметров силовых кремниевых приборов, что дает значительный экономический эффект и расширяет эксплуатационные возможности приборов.

Список опубликованных работ по теме диссертации

1. Ладыгин Е.А., Лагов П.Б., Орлова М.Н., Калачев А.Н. Влияние облучения быстрыми электронами на электрофизические параметры кремниевых эпитаксиально-планарных диодных структур // Тезисы докладов третьей Российской школе ученых и молодых специалистов по физике, материаловедению и технологии получения кремниевых приборных структур на его основе. «Кремний. Школа - 2005». Москва - МИСиС, 2005. С. 187.

2. Ладыгин Е.А., Коновалов М.П., Орлова М.Н., Ручкин М.В., Лагов П.Б., СурмаА.М. Повышение быстродействия и радиационной стойкости силовых кремниевых диодов с применением радиационного технологического процесса // Вопросы атомной науки и техники. Сер.: Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. 2006. Вып. 1-2. С. 29-37.

3. Коновалов М.П., Ладыгин Е.А, Лагов П.Б., Орлова М.Н., Ручкин М.В., Сурма A.M. Энергетическое положение и концентрация глубоких радиационных центров в базовой области силовых кремниевых р-n структур при облучении и отжиге //Тезисы докладов. Третьей Международной конференции по физике кристаллов. «Кристаллофизика XXI века». Москва - МИСиС, 2006. С. 337- 338.

4. Ладыгин Е.А., Орлова М.Н., Волков Д.Л. Основные типы радиационных центров и их влияние на электрофизические параметры кремниевых диодных структур при обработке быстрыми электронами // Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники. №2. 2007. С. 22-27.

5. Орлова М.Н., Волков Д.Л. Разработка и исследование высокотемпературного радиационного технологического процесса для создания силовых кремниевых структур (приборов) с улучшенными электрофизическими параметрами // Тезисы докладов. Четвертой Российской конференции с международным участием по физике, материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния и приборных структур на их основе «Кремний - 2007». Москва, МИСиС 2007.

1. Ладыгин Е.А., Лагов П.Б., Мурашев В.Н. Физические процессы в полупроводниках при облучении быстрыми частицами. Теория и расчет. - М.: МИСиС, 2001.

2. Ладыгин Е.А. Радиационная технология твердотельных электронных приборов. М.: ЦНИИ «Электроника», 1976.

3. Вавилов B.C., Ухин Н.А. Радиационные эффекты в полупроводниках и полупроводниковых приборах. М.: Атомиздат, 1969.

4. Физические процессы в облученных полупроводниках. / Под ред Л.С. Смирнова. Новосибирск: Наука, 1977.

5. Вопросы радиационной технологии полупроводников. / Под ред. Л.С. Смирнова. Новосибирск: Наука, 1980.

6. Енишерлова К.Л., Концевой Ю.А. Проблемы кремния в силовой электронике: монокристаллы, пластины, структуры. // Известия Вузов. Материалы электронной техники. 2000. - Вып. 4.

7. Попов С. Диоды с р-п переходом для преобразовательной техники. // Электронные компоненты. -2003. Вып. 4.

8. Радиационные процессы в технологии материалов и изделий электронной техники / Васильев И.В., Ефремов Г.А., Козловский В.В., Ломасов В.Н., Иванов B.C.: Под ред. Иванова B.C., Козловского В.В.; Энергоатомиздат.- М.,1997.

9. Смирнов Л.С. Вопросы радиационной технологии полупроводников. Новосибирск: Наука, 1980.

10. Материалы и процессы создания приборов силовой электроники: Тезисы докладов V семинара АТАМ (Москва, 5-7 мая 2001 года). Новосибирск.: Институт неорганической химии СО РАН, 2001.

11. Кинчин Д., Пиз Р. Смещение атомов в твердых телах под действием излучения // Успехи физ. наук. 1956. - Т. 60, Вып. 4.

12. Вавилов B.C., Киселев В.Ф., Мукашев Б.Н. Дефекты в кремнии и на его поверхности. М.: «Наука», 1990.

13. Burnel R., Schneider Th. «Fast Recovery Epitaxial Diodes: Characteristics Applications -Examples», IXYS, 1999.

14. Rivet B. «The Advantages of a 300V Fast Recovery Epitaxial Diode», Proc, Power Conversion, 1997.

15. Ладыгин E.A., Паничкин A.B., Горюнов H.H. Основы радиационной технологии микроэлектроники (ч. 1,2). -М.: МИСиС, 1994.

16. Вавилов B.C., Кив А.Е., Ниязова О.Р. Механизм образования и миграция дефектов в полупроводниках,- М.: Наука, 1981.

17. Хоровиц Г., Хилл У. Искусство схемотехники. -М.: Мир, 1998.

18. Baliga В.J. Power Semiconductor Devices. Boston, MA: PWS, 1996.

19. Козловский В.В., Козлов В.А., Ломасов В.Н. Модифицирование полупроводников пучками протонов. // Физика и техника полупроводников.-2000.-Т.34.-№2.

20. Джафаров Т.Д. Радиационно-стимулированная диффузия в полупроводниках.- М.: Энергоатомиздат, 1991.

21. Процессы дефектообразования в кремнии, легированном марганцме и германием / Абдурахманов К.П., Утамурадова Ш.Б., Далиев Х.С., Таджи-Аглаев С.Г., Эргашев Р.М // Физика и техника полупроводников.-1998.-Т.32.-№6.

22. Омельяновский Э.М., Фистуль В.И. Примеси переходных материалов в полупроводниках.-М.: Металлургия, 1983.

23. Орлов А.Н. Введение в теорию дефектов в кристаллах.- М.: Высш. шк.,1983.

24. Свойства легированных полупроводниковых материалов / Лебедев А.А., Абдурахманов К.П. идр.-М.: Наука, 1990.

25. Определение концентрации глубоких центров в диодах Шоттки с высоким барьером при нестационарной спектроскопии глубоких уровней / Агафонов Е.Н., Георгобиани А.Н., Лепнев Л.С. // Физика и техника полупроводников.-2000.-Т.36.-№6.

26. Берман Л.С., Лебедев А.А. Емкостная спектроскопия глубоких центров в полупроводниках.-Л.: Наука,1981.

27. Легирование полупроводников радиационными дефектами при облучении протонами и а частицами / Козлов В.А., Козловский В.В. // Физика и техника полупроводников.-2001.-Т.35.-Ж7.

28. Емцев В.В., Машовец Т.В.Примеси и точечные дефекты в полупроводниках,- М.: Радио и связь,1981.

29. Бургуэн Ж., Ланно М. Точечные дефекты в полупроводниках (экспериментальные аспекты).- М.: Мир, 1985.

30. Вавилов B.C., Кив А.Е., Ниязова О.Р. Механизм образования и и миграция дефектов в полупроводниках.- М.: Наука, 1981.

31. Процессы дефектообразования в кремнии, легированном марганцме и германием / Абдурахманов К.П., Утамурадова Ш.Б., Далиев Х.С., Таджи-Аглаев С.Г., Эргашев Р.М // Физика и техника полупроводников.-1998.-Т.32.-№6.

32. Применение силовой электроники в электротехнике: Материалы докл. науч.-техн. семинара (Москва, 15-19 мая 2000 года). -М.: МНТОРЭС им. А.С. Попова, 2000.

33. Силовые полупроводниковые приборы. / Пер. с англ. под ред. В.В. Токарева. Воронеж.: Издательство ТОО МП «Элист», 1995.

34. Воронин П.А. Силовые полупроводниковые ключи: семейства, характеристики, применение. М.: Додэка, 2001.

35. Бургуэн Ж., Ланно М. Точечные дефекты в полупроводниках. Экспериментальные аспекты. М.: Мир, 1985.

36. Вавилов B.C., Кекелидзе Н.П., Смирнов Л.С. Действие излучений на полупроводники.- М.: Наука, 1988.

37. Лукьянина В.В. / Уровни вакансий и межузельных атомов в запрещенной зоне кремния // Физика и техника полупроводников.-2003.-Т.37.-№4.

38. Агаханян Т.М., Аствацатурьян Е.Р., Скоробогатов П.К. Радиационные эффекты в интегральных микросхемах. М.: Энергоатомиздат, 1989.

39. Кузнецов Н.В., Соловьев Г.Г. Радиационная стойкость кремния.- М.: Энергоатомиздат, 1989.

40. Васильев А.В., Смагулова С.А., Смирнов Л.С. / Отжиг дивакансий в кремнии, облученном быстрыми нейтронами // Физика и техника полупроводников.-1986.- Т.20.-№3.

41. Абакумов В.Н., Перель В.И., Яссиевич И.Н. Безыизлучательная рекомбинация в полупроводниках. С.Петербург: Издательство «Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова», 1997.

42. Маркевич В.П., Мурин Л.И. / Селективный захват междоузельных атомов углерода в облученном кремнии // Физика и техника полупроводников.- 1988.- Т. 22.-№ 5.

43. Термоакцепторы в облученном кремнии / Стась В.Ф., Антонова И.В., Неустроев Е.П. и др. // ФТП,- 2000,- Т. 34,- № 2.

44. Громов В. Т., Шукайло В. П. Радиационно- наведенная электропроводность двуокиси кремния,- ЖТФ,-1991.-Т. 61.-№6.

45. Гадияк Г.В. / Диффузия бора фосфора в кремнии при высокотемпературной ионной имплантации // Физика и техника полупроводников,-1997.-Т.31.-№4.

46. Ладыгин Е.А. Обеспечение надежности электронных компонентов космических аппаратов. М.: МИСиС, 2003.

47. Helms C.R., Poindexter Е.Н. The Silicon-Silicon Dioxide System: Its Microstructure and Imperfections // Rep. Prog. Phys., 1994, № 57.

48. Першенков B.C., Попов В.Д., Шальнов А.В. Поверхностные радиационные эффекты в элементах интегральных микросхем. М.: Атомиздат, 1988.

49. Паничкин А.В. Управление электрофизическими параметрами кремниевых МДП и КМДП структур при радиационно-термической обработке. Дисс. канд. техн. Наук. М.: МИСиС, 1987.

50. Вологдин Э.Н., Ладыгин Е.А., Шаховцов В.И. Некоторые вопросы физики радиационных повреждений в полупроводниковых приборах. Киев.: Институт физики АН УССР, 1972.

51. Федоров Н.Д. Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника. М.: Радио и связь, 1998.

52. Коновалов М.П. Применение высокоэнергетичных электронов в технологии силовых кремниевых приборов для улучшения их динамических и статических параметров. Дисс. канд. техн. наук. -М.: МИСиС, 2005

53. Ладыгин Е.А., Горюнов Н.Н., Паничкин А.В., Галеев А.П. Радиационные эффекты в МОП и КМОП структурах интегральных схем. М.: МИСиС, 1997.

54. Дорджин Г.С., Лактюшин В.Н., Сорокина М.В. Релаксационная спектроскопия глубоких уровней // Обзоры по электронной технике. 1989. - Сер. 7, Вып. 4.

55. Атабиев И.Ж. Применение емкостной спектроскопии для исследования глубоких центров в биполярных полупроводниковых структурах и оптимизации РТП. Дисс. канд. техн. наук. -М.: МИСиС, 1983.

56. Лагов П.Б. Радиационно-термические процессы в кремниевых биполярных структурах и их влияние на электрофизические параметры. Дисс. канд. техн. наук. М.: МИСиС, 1999.

57. Гуртов В.А. Твердотельная электроника. Петрозаводск, 2004.

58. Киреев П.С. Физика полупроводников. М.: Высшая школа, 1975.

59. Шалимова К. В. Физика полупроводников. М.: Энергоатомиздат, 1985.

60. Абрамович М.И., Бабайлов В.М., Либер В.Е. Диоды и тиристоры в преобразовательных установках. М.: Энергоатомиздат. 1992.

61. Радиационные процессы в технологии материалов и изделий электронной техники / Васильев И.В., Ефремов Г.А., Козловский В.В., Ломасов В.Н., Иванов B.C.: Под ред. Иванова B.C., Козловского В.В.; Энергоатомиздат.- М.,1997.

62. Смирнов Л.С.Вопросы радиационной технологии полупроводников.-Новосибирск: Наука, 1980.

63. Джафаров Т.Д. Радиационно-стимулированная диффузия в полупроводниках,- М.: Энергоатомиздат, 1991.

64. Смирнов JI.C. Физические процессы в облучаемых полупроводниках.-Новосибирск: Наука, 1977.

65. Омельяновский Э.М., Фистуль В.И. Примеси переходных материалов в полупроводниках,-М.: Металлургия, 1983.

66. Глубокие центры и отрицательный температурный коэфициэнт напряжения пробоя р-п-структур на основе SiC / Лебедев А.А., Ортоланд С., Реноуд К., Локателли М.Л., Плансон Д., Шант Ж.П. // Физика и техника полупроводников.-1997.-Т.31.-№7.

67. Рекомбинация в области пространственного заряда и ее влияние на коэффициент передачи биполярного транзистора / Булярский С.В., Глушко Н.С., Сомов А.И., Лакалин А.В. // Физика и техника полупроводников,- 1997.-Т.31.-№9.

68. Булярский С.В., Глушко Н.С. Генерационно-рекомбинационные процессы в активных элементах.-М.: МГУ, 1995.

69. Булярский С.В., Глушко Н.С. Физические принципы функциональной диагностики р-п переходов с дефектами.-Кишинев: Штиинца,1992.

70. Зи С. Физика полупроводниковых приборов.-М.: Мир, 1984.

71. Конструктивно-технологические особенности эмиттера быстровосстанавливающихся диодов с мягким восстановлением / Громов В., Лебедев А., Потапчук В., Ястребов П. // Электроника: Наука, Технология, Бизнес.- 2006.-№6.

72. Болтакс Б.Н. Диффузия и точечные дефекты в полупроводниках.- Л.:Наука, 1972.

73. Кирсанов В.В. Радиационные дефекты и связанные с ними эффекты,- Соросовский образовательный журнал.- 2001.-Т.7.-№10.

74. Степанов В.А. / Радиационно-стимулированная диффузия в твердых телах // Журнал технической физики.-1998.-Т.68.-№8.

75. Горелик С.С., Дашевский М.Я. Материаловедение полупроводников и диэлектриков,- М.: Металлургия, 1988.

76. Чарыков Н.А. Физические явления в р-п переходах,- М.: МЭИ, 1982.

77. Хируненко Л.И., Шаховцов В.И., Шумов В.В. / Радиационное дефектообразование в кремнии, легированном германием, при низкотемпературном облучении//ФТП.-1998.-Т. № 2.

78. Казакевич Л.А., Лугаков П.Ф. / Влияние ростовых нарушений структуры на дефектообразование в кремнии при внешних воздействиях // Физика и техника полупроводников.-1995.-Т. 29.-N 7.

79. Отрицательная емкость (импеданс индуктивного типа) кремниевых р-п-переходов, облучаемых быстрыми электронами / Поклонский И.А., Шпаковский С.В., Горбачук Н.И., Ластовский С.Б. //Физика и техника полупроводников.-2006.-Т.40.-№7.

80. Колковский И.И., Лукьяница В.В. / Особенности накопления радиационных дефектов вакансионного межузельного типов в бездислокационном кремнии с различным содержанием кислорода. // Физика и техника полупроводников.-1997.-Т.31.-№4.

81. Емцев В.В., Машовец Т.В. Примеси и точечные дефекты в полупроводниках.- М.,1981.

82. Кузнецов Н.В., Соловьев Г.Г. Радиационная стойкость кремния.-М.,1989.

83. Конозенко И.Д., Семенюк А.К., Хиврич В.И. Радиационные эффекты в кремнии.-Киев, 1974.

84. Комаров Б.А. / Особенности отжига радиационных дефектов в кремневых р-п-структурах: роль примесных атомов железа // Физика и техника полупроводников.-2004.-Т.38.-№9.

85. Радиационная стойкость широкозонных полупроводников / Лебедев А.А., Козловский В.В., Строкам Н.Б., Давыдов Д.В., Иванов A.M., Стрельчук A.M., Якимова Р. // Физика и техника полупроводников.-2002.-Т.36.-№11.

86. Сверхмелкие р-п-переходы в Si (111): электронно-лучевая диагностика приповерхностной области / Андронов А.А., Баграев Н.Т., Клячкин Л.Е., Маляренко A.M., Робозеров С.В. // Физика и техника полупроводников.-1999.-Т.ЗЗ.-№1.

87. Булярский С.В., Грушко II.С., Лакалин А.В. / Дифференциальные методы определения параметров глубоких уровней по рекомбинационным токам р-п-перехода // Физика и техника полупроводников.-1998.-Т.32.-№ 10.

88. Уильяме Б. Силовая электроника: приборы, применение, управление. Справочное пособие: Пер. с англ. М.: Энергоатомиздат, 1993.