Способ обработки кремниевых лавинных диодов

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ОБРАБОТКИ КРЕМНИЕВЫХ ЛАВИННЫХ ДИОДОВ(71) Заявитель Государственное научнопроизводственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(72) Авторы Марченко Игорь Георгиевич Коршунов Федор Павлович(73) Патентообладатель Государственное научно-производственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(57) Способ обработки кремниевых лавинных диодов, при котором осуществляют облучение диодов пучком электронов с энергией от 2 до 10 МэВ при комнатной температуре, а затем проводят повторное облучение таким же пучком при различных температурах, отличающийся тем, что повторное облучение ведут флюенсом от 81016 см-2 до 21017 см-2 сначала при температуре от 200 до 250 К, а затем при температуре от 350 до 380 К, при этом время облучения составляет соответственно 75 и 25 от общего времени повторного облучения. Изобретение относится к полупроводниковой электронике, а более конкретно к радиационно-технологической обработке кремниевых диодных структур с целью формирования -образной вольт-амперной характеристики (ВАХ) диодов в режиме пробоя. Может найти применение при создании новых методов регистрации ионизирующих излучений. Принцип действия целого ряда полупроводниковых приборов лавинно-пролетных диодов, лавинных транзисторов, ограничителей напряжения, стабилитронов и др. - основан на явлении лавинного пробоя. Известны способы 1, 2, основанные на конструкторско-технологических и схемных решениях, улучшающие параметры лавинных диодов. Их недостатками являются высокая трудоемкость и большой разброс величины их основного параметра пробивного напряжения . Известен способ 3 изготовления стабилитронов с лавинным механизмом пробоя,предусматривающий облучение стабилитронов электронами с энергией 2-10 МэВ и их последующий отжиг. В результате такой обработки температурный коэффициент пробивного напряжения снижается в 2-3 раза в достаточно узком интервале температур, что ограничивает возможности способа. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ обработки лавинных диодов 4, включающий облучение диодов пучком электронов с энергией 2-10 МэВ и проведение одновременно с облучением пучком электронов 17799 1 2013.12.30 повторного облучения электронами с интенсивностью (21011-21012) см-2 с-1, а отжиг проводят одновременно с повторным облучением при 200-300 С в течение 600-900 с. Однако формирование -образной ВАХ в режиме пробоя лавинных диодов этим приемом не достигается, что ограничивает возможности способа. Задачей, решаемой изобретением, является расширение возможности способа за счет лучшей управляемости процессом радиационного дефектообразования. Способ обработки кремниевых лавинных диодов, при котором осуществляют облучение диодов пучком электронов с энергией от 2 до 10 МэВ при комнатной температуре, а затем проводят повторное облучение таким же пучком при различных температурах, отличающийся тем, что повторное облучение ведут флюенсом от 81016 см-2 до 21017 см-2 сначала при температуре от 200 до 250 К, а затем при температуре от 350 до 380 К, при этом время облучения составляет соответственно 75 и 25 от общего времени повторного облучения. Сущность изобретения заключается в использовании радиационного воздействия для контролируемого введения в полупроводник структурных дефектов, способных обеспечить лавинным диодам ВАХ, чувствительную к ионизирующим излучениям. Как известно 5, ВАХ обратно-смещенных электронно-облученных диодных структур при низких температурах может иметь участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением -типа. Считается, что причина этого эффекта связана с релаксационной задержкой пробоя и изменением во времени максимального поля в области объемного заряда (ООЗ) перехода, вызванного перезарядкой глубоких уровней (ГУ) радиационных дефектов (РД). Если создать условия, при которых ГУ, попадающие в ООЗ перехода,остаются заполненными носителями заряда, то при подаче отрицательного смещения величина напряжения на диоде в начальной стадии пробояможет быть выше стационарного (расчетного) напряжения пробояна величину перенапряжения-.-образность ВАХ исчезает только после опустошения ГУ. При достаточно высокой концентрации ГУ их перезарядка способна оказать существенное влияние на перенос носителей заряда при лавинном пробое и, как следствие, предопределить образование ВАХ типа и обеспечить значение , которое было бы легко измерять и контролировать. Может иметь место полевой, термический или ионизационный (ударный) механизм перезарядки ГУ. Как показано в работе 6, -образность ВАХ, характеризуемая величиной , имеет пороговую чувствительность к потоку высокоэнергетических электронов (к уровню ионизации полупроводника) и зависит от концентрации и положения ГУ в запрещенной зоне,т.е. от типа дефекта, который ответственен за этот ГУ. Поэтому основной физико-технологической задачей, которую необходимо было решить, являлось определение условий радиационной обработки, с помощью которой можно получить диодные структуры с достаточно большой величиной . В данном техническом решении предварительное облучение пучком электронов с энергией 2-10 МэВ при комнатной температуре проводится с целью определения эффективности образования РД, ответственных за изменения , и выбором образцов лавинных диодов, наилучшим образом совместимых с повторным облучением. Повторное облучение ведут при флюенсе от 81016 см-2 до 21017 см-2 сначала при температуре от 200 до 250 К, а затем при температуре от 350 до 380 К, при этом время облучения составляет 75 и 25 от общего времени повторного облучения соответственно. При такой обработке в кремниевые диоды наиболее эффективно вводятся глубокая дивакансия и Е-центр, которые и определяют образование ВАХ диода -типа. Пример конкретного выполнения. Для основного эксперимента, включающего повторное облучение, были выбраны диффузионно-сплавные диоды, полученные на -типа кремнии марки (БКЭФ) с удельным сопротивлением 0,2 Омсм (-область КДБ 0,015) и напряжением пробоя . Последовательность обработки 2 17799 1 2013.12.30 1. Диоды в количестве 20 штук размещают в термоизолированном контейнере перед выходным окном ускорителя с энергией электронов 6 МэВ. 2. При установлении в контейнере температуры 230 К включается ускоритель, и при интенсивности пучка 51013 см-2 с-1 диоды облучаются в течение 1200 с. Затем ток пучка выключается. 3. Температура в контейнере повышается до 370 К, и снова включается ускоритель, и при интенсивности пучка 51013 см-2 с-1 проводится облучение в течение 400 с. Ускоритель выключается. 4. Температура в контейнере снижается до комнатной, приборы извлекаются из контейнера и проходят электрические измерения. В таблице приведены данные по изменению величиныпри повторном облучении для температуры измерения 80 К. При температуре облучения 230 К и флюенсах от 81016 см-2 до 21017 см-2 время облучения составляло от 1200 до 3000 с, а при температуре облучения 370 К - от 400 до 1000 с. Для конкретного флюенса, например для 8-1016 см-2, времена облучения составили 1200 с при температуре 230 К и 400 с при температуре 370 К. Для флюенса 21017 см-2 при аналогичных температурах время облучения составило 3000 и 1000 с соответственно. Как видно из таблицы, наибольшее значениеотмечено для флюенса 11017 см-2. Установлено, что выход за пределы указанных в формуле изобретения интервалов флюенса, температур и времени облучения, а также обработка диодов по способу прототипа дают худшие результаты. Изменение зависимости величины перенапряженияот флюенса повторного облучения электронами с энергией 6 МэВ при средней интенсивности потока электронов 51013 см-2 с-1 Флюенс, см-2 51016 81016 11017 21017 51017 Прототип 1-2 5 9 7 4 1-2-,Таким образом, обработка лавинных диодов по заявляемому способу обусловливает образование у таких приборов ВАХ -типа и обеспечивает значение , которое можно легко измерить. Контроль исчезновения -образности ВАХ при попадании лавинного диода с такой характеристикой в поле проникающего излучения и является сутью практического применения этого эффекта при разработке новых методов регистрации излучений высокой энергии 6. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 3