Способ обработки низковольтных стабилитронов

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ОБРАБОТКИ НИЗКОВОЛЬТНЫХ СТАБИЛИТРОНОВ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Объединенный институт физики твердого тела и полупроводников Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Коршунов Федор Павлович Марченко Игорь Георгиевич Жданович Николай Евгеньевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Объединенный институт физики твердого тела и полупроводников Национальной академии наук Беларуси(57) Способ обработки низковольтных стабилитронов, включающий облучение стабилитронов пучком электронов с энергией от 2 до 10 МэВ и последующий отжиг, отличающийся тем, что облучение осуществляют дозой от 71017 до 51018 см-2 при интенсивности пучка электронов от 4 до 81013 см-2 с-1 и температуре облучения от 203 до 243 К. Изобретение относится к электронной технике, а более конкретно к технологии полупроводниковых приборов, в частности к радиационной обработке кремниевых низковольтных стабилитронов с туннельным механизмом пробоя, и может быть использовано в их массовом производстве. Существенным недостатком полупроводниковых приборов является их чувствительность к изменениям температуры. Известно 1, что у стабилитронов с напряжением стабилизации меньше 6 В (низковольтные стабилитроны) реализуется механизм пробоя р-п-перехода, основанный на туннельном прохождении носителей заряда из одной области полупроводника в другую. В отличие от лавинных стабилитронов такие приборы имеют отрицательный температурный коэффициент напряжения стабилизации (ТКН), который определяется температурными изменениями ширины запрещенной зоны исходного полупроводникового материала. Работа низковольтных стабилитронов основана на туннельном прохождении носителей заряда из одной области полупроводника в другую. При этом согласно законам квантовой механики, носитель не расходует своей энергии и может совершать переход даже при полном отсутствии теплового движения. Поэтому стабилитроны с туннельным механизмом пробоя могут функционировать даже при очень низких температурах (77 К). Однако возможности низковольтных стабилитронов ограничены тем обстоятельством, что при температуре 30 К, за счет вымораживания основных носителей заряда на примесные 10225 1 2008.02.28 уровни, ТКН стабилитронов возрастает в 50100 раз, что существенно снижает качество стабилизации. Известны методы 2, использующие конструкторско-технологические и схемные решения для изготовления низковольтных стабилитронов, обладающих высокой температурной стабильностью напряжения стабилизации и небольшими величинами дифференциального сопротивления. Однако эти методы достаточно трудоемки, а получаемые приборы имеют большой разброс электрических параметров. Известен 3 способ компенсации температурных изменений напряжения стабилизации кремниевых стабилитронов, включающий введение радиационных дефектов в приборную структуру путем облучения стабилитронов проникающим излучением. Облучение ведут при комнатных температурах. В результате радиационной обработки чувствительность напряжения стабилизации стабилитронов к температуре снижается. Однако снижение ТКН достигается в узком температурном интервале (253-333 К). Кроме того, обработка этим способом низковольтных стабилитронов не приводит к достижению требуемого уровня снижения ТКН, что ограничивает возможности способа. Известен 4 способ обработки диодов, работающих на участке пробоя вольтамперной характеристики, включающий облучение диодов пучком электронов с энергией 2-10 МэВ и последующий отжиг. Данный способ является наиболее близким по совокупности признаков к заявляемому и поэтому выбран в качестве прототипа. К недостаткам прототипа можно отнести следующее с его помощью невозможно получить приборы с низким ТКН, способные функционировать как в интервале обычных температур эксплуатации, так и области низких температур 4,2-77 К режим радиационной обработки не позволяет уменьшить ТКН до предельных значений. Общим для заявляемого способа и способа-прототипа признаком является использование облучения электронами с энергией 2-10 МэВ и последующего отжига для улучшения параметров стабилитронов. Цель изобретения - снижение температурного коэффициента напряжения стабилизации (имеется ввиду абсолютное значение этого параметра) в интервале температур 4,277 К. Поставленная цель достигается тем, что в заявляемом способе обработки низковольтных стабилитронов, включающем облучение электронами с энергией от 2 до 10 МэВ и последующий отжиг, отличающийся тем, что облучение осуществляют дозой от 71017 до 51018 см-2 при интенсивности пучка электронов от 4 до 81013 см-2 с-1 и температуре облучения от 203 до 243 К. Заявляемое техническое решение отличается от прототипа тем, что для обработки стабилитронов используются электронные пучки повышенной интенсивности, а процесс облучения проводится при пониженных температурах. Сущность изобретения состоит в том, что готовые приборы подвергают облучению электронным пучком определенной интенсивности, поддерживая температуру в зоне облучения в диапазоне 203-243 К. Такая обработка приводит к введению в активные физические области полупроводниковой структуры стабилитрона радиационных дефектов,обусловливающих появление в запрещенной зоне полупроводника энергетических уровней. В низковольтных стабилитронах они проявляют себя, главным образом, как компенсирующие центры, снижающие концентрацию основных носителей заряда в полупроводнике, и как дополнительные энергетические состояния в запрещенной зоне,способствующие более эффективному туннельному просачиванию носителей 5. Первый из этих эффектов (снижение проводимости) ведет к росту величины напряжения стабилизации, а второй - к ее уменьшению 6. Для заявляемого способа эффекты,2 10225 1 2008.02.28 связанные с ростом напряжения стабилизации, являются нежелательными. Поэтому с целью селективного усиления влияния радиационных дефектов на процессы туннелирования носителей заряда в заявляемом способе предусмотрена повышенная интенсивность электронного пучка и пониженные температуры облучения. Это способствует 7 как качественному изменению (по сравнению с комнатными температурами облучения и интенсивностями 241012 см-2 с-1) спектра в вводимых радиационных центров, так и изменению их концентрационных соотношений таким образом, что доля в облученных стабилитронах компенсирующих центров несколько падает, а туннелирующих центров возрастает. В результате в облученных приборах доминируют процессы, связанные с ростом туннельных переходов за счет уровней радиационных дефектов, что приводит с одной стороны к уменьшению напряжения пробоя обратно-смещенного р-п-перехода стабилитрона, а с другой - к ослаблению эффектов, обусловленных вымораживанием носителей на примесные уровни, приводящих к росту пробивного напряжения. Поэтому в облученных низковольтных стабилитронах напряжение стабилизации таких приборов становится менее чувствительным к температуре. Это предоставляет возможность использования облученных стабилитронов с туннельным пробоем р-п-перехода в широком температурном диапазоне 4,2398 К. Диапазон доз облучения выбран исходя из того, что при флюенсе, меньшем 71017 см-2,ТКН низковольтных стабилитронов снижается незначительно, а при флюенсе, большем 51018 см-2, начинают ухудшаться другие параметры стабилитронов. Например, дифференциальное сопротивление увеличивается до значений, превышающих величину этого параметра по нормам ТУ для приборов данного типа. Выбранный диапазон интенсивности облучения является оптимальным для данного технического решения. При интенсивности, меньшей 41013 см-2 с-1, не достигается оптимального соотношения эффективности введения компенсирующих центров и центров, ответственных за туннелирование носителей заряда, что приводит лишь к незначительному снижению ТНК. Нецелесообразность повышения интенсивности обусловлена двумя обстоятельствами. Во-первых, при интенсивности 81013 см-2 с-1 концентрационное соотношение компенсирующих и туннелирующих радиационных центров в облученных стабилитронах не изменяется в пользу последних, поэтому ТКН остается практически таким же, что и при интенсивности 81013 см-2 с-1. Во-вторых, при интенсивности 81013 см-2 с-1 наблюдается значительный радиационнотермический разогрев всей технологической оснастки, попадающей в зону облучения, что усложняет реализацию данного способа в условиях серийного производства. Интервал температур облучения выбран экспериментально. При температурах 203243 К процессы дефектообразования обнаруживают тенденцию к преимущественному накоплению тех типов радиационных дефектов, которые определяют снижение ТКН и в меньшей степени способствуют нежелательному изменению величины напряжения стабилизации. Пример конкретного выполнения. По предложенному способу подвергали электронному облучению шесть партий стабилитронов типа КС 133 А, КС 139 А и КС 147 А. Величина ТКН оценивалась в интервале температур 4,2-77 К и в необлученных приборах была равна 16-33/С-1. Облучение проводили на ускорителе Электроника-4. Полученные результаты сведены в таблицу. 1 2 3 4 5 6 7 8 прототип отжиг проводился при 250 С Температурный коэффициент напряжения стабилизации, ТКН, / С начальное после значение обработки 2 3 После радиационной обработки проводят стабилизационный отжиг при 150 С в течение 10-15 мин с целью обеспечения гарантированной термостабильности параметров стабилитронов при максимальных положительных температурах эксплуатации (125 С). Из таблицы видно, что у всех стабилитронов после облучения дозами от 71017 до 51018 см-2 при интенсивности пучка электронов от 4 до 81013 см-2 с-1 и температуре облучения от 203 до 243 К наблюдается значительное снижение чувствительности напряжения стабилизации к температуре, характеризуемое малой величиной ТКН. Другие параметры полученных приборов находятся на уровне величин, оговоренных требованиями ТУ. Анализ данных таблицы показывает, что выход за пределы граничных значений дозы,температуры и интенсивности облучения, равно как и использование условий обработки по прототипу, приводят к худшим результатам. Источники информации 1. Федотов Я.А. Основы физики полупроводниковых приборов. - М. Советское радио,1969. - С. 150-155. 2. . . . - 1971. -52. -3,. 2, 97-100,О.М. Драпкин // Электронная техника. - Сер.2. - 1988. - Вып. 4. 3. Патент США 3400306, кл. 317-234, опубл. 1968. 4. Патент России 2100872, МПК Н 01 21/263, опубл. 27.12.97. 5. Келдыш Л.В. // ЖЭТФ. - 33. - 994 (1957). 6. Коршунов Ф.П., Марченко И.Г. // Весц АН БССР. Серия физ.-мат. наук. - 1981.3. - С.98-103. 7. Золотухин А.А. и др. // ФТП. - 1975. - Т.8,6. - С. 1201-1202. 8. Крайчинский А.И. и др. // ФТП. - 1985. - Т. 19. - Вып. 12. - С. 2202-2204. 9. Абдурахманов К.П. и др. // ФТП. - 1988. - Т.22. - Вып. 3. - С. 623-627. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4