Способ отбора силовых кремниевых диодов для космических аппаратов

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ОТБОРА СИЛОВЫХ КРЕМНИЕВЫХ ДИОДОВ ДЛЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ(71) Заявитель Государственное научнопроизводственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(72) Автор Марченко Игорь Георгиевич(73) Патентообладатель Государственное научно-производственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(57) Способ отбора силовых кремниевых диодов для космических аппаратов, при котором осуществляют радиационное, путем облучения электронами с энергией 6 МэВ, и термическое воздействия на структуру упомянутых диодов, измеряют электрический параметр диодов до и после воздействий и отбирают диоды по изменению этого параметра, причем облучение электронами проводят сначала при температуре минус 1005 С в течение 500 с,а затем при температуре 1005 С также в течение 500 с до флюенса, составляющего не более 10 от численного значения концентрации основной легирующей примеси в исходном полупроводниковом материале диодов. Изобретение относится к области электроники, а более конкретно к методам испытаний и контроля качества полупроводниковых приборов на основе кремния на стадиях изготовления и применения и предназначено для отбора силовых диодов с равномерной по партии радиационной стойкостью . В настоящее время при исследовании космического пространства научная аппаратура все чаще выносится на внешнюю поверхность искусственного спутника Земли, например международной космической станции (МКС). Чтобы аппаратура на орбите работала без сбоев в течение длительного времени, необходим специальный отбор элементной базы, на которой она будет построена. Применение методов радиационной отбраковки полупроводниковых приборов позволяет отобрать однородную попартию изделий и обеспечить их долговременную стабильность работы в условиях реальных тепловых нагрузок космического пространства 1, 2. По литературным данным суточные колебания температуры, характерные, например, для внешней поверхности МКС на орбите, от плюс 100 на солнечной стороне и до минус 100 С в тени. Известен 3 способ отбора полупроводниковых приборов (ПП) по критерию , включающий облучение всех изделий партии полной дозой, эквивалентной ожидаемой в реальных 15625 1 2012.04.30 условиях применения ПП (например, потоком электронов с энергией 3 МэВ плотностью 51012 см-2 с-1, эквивалентной дозе- излучения 60, равной 1,25105 рад, который, как ожидают, воздействует на ПП при прохождении радиационных поясов Земли), и отбраковку изделий, электрические параметры которых после облучения выходят за пределы норм,предусмотренных техническими условиями (ТУ). Для восстановления параметров облученных приборов проводится их термический отжиг при повышенной температуре. Однако этот способ не является достаточно достоверным, так как неправильный выбор режима цикла облучение-отжиг может вызвать появление нестабильности параметров у отожженных приборов. Известен 4 способ отбора изделий электронной техники поили надежности, который включает облучение изделий облучающей выборки из разбраковываемой партии,измерение электрических параметров до и после облучения и последующий отжиг до восстановления параметров. Способ позволяет осуществить отбор наиболее радиационно стойких и надежных изделий с гарантированными показателями стойкости и надежности. Однако способ не является достаточно достоверным, так как не все приборы полностью восстанавливают параметры после отжига, а неправильный выбор дозы тестирующего облучения и условий восстановительного отжига может вызвать возникновение повышенных токов утечки. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ отбраковки полупроводниковых приборов на основе кремния 5 - диодов, транзисторов, тиристоров по , характеризующийся тем, что осуществляют радиационное воздействие на структуру приборов путем облучения электронами с энергией 6 МэВ при комнатной температуре флюенсами, составляющими от 20 до 40 от численного значения концентрации основной легирующей примеси в исходном полупроводниковом материале приборов, измеряют электрический параметр прибора до и после воздействия и отбраковывают приборы по изменению этого параметра. Недостатком этого способа является достаточно низкая достоверность отбора силовых диодов с равномерной по партии радиационной стойкостью, что снижает эффективность отбраковки. Задача изобретения - повышение информативности отбраковочных испытаний и достоверности отбора силовых диодов с равномерной по партии радиационной стойкостью. Способ отбора силовых кремниевых диодов для космических аппаратов, при котором осуществляют радиационное, путем облучения электронами с энергией 6 МэВ, и термическое воздействия на структуру упомянутых диодов, измеряют электрический параметр диодов до и после воздействий и отбирают диоды по изменению этого параметра. Новым по мнению автора является то, что облучение электронами проводят сначала при температуре минус 1005 С в течение 500 с, а затем при температуре 1005 С также в течение 500 с до флюенса, составляющего не более 10 от численного значения концентрации основной легирующей примеси в исходном полупроводниковом материале диодов. Сущность изобретения заключается в проведении тестового электронного облучения силовых диодов в условиях экстремальных (реальных) тепловых нагрузок космического пространства.кремниевых силовых диодов определяется устойчивыми изменениями на прямой ветви ВАХ, обусловленными уменьшением диффузионной длины носителей заряда и, как следствие, степени модуляции проводимости базы диода. Эффект полной дозы состоит в постепенном ухудшении характеристик диодных элементов, связанных с накоплением радиационных дефектов (РД) в кристаллах. Для космической аппаратуры необходимым является отбор однородных подиодов с одинаковостью изменения параметров в пределах полной дозовой нагрузки. Для проведения такого отбора требуются небольшие дозы (не приводящие к уходу параметров) электронного облучения и определение тестового параметра диода, изменения 2 15625 1 2012.04.30 которого были бы пропорциональны концентрации вводимых РД. Самой чувствительной диодной характеристикой к наличию любых структурных дефектов, в том числе и радиационных, является время жизни неравновесных носителей зарядаННЗ в базовой, наименее легированной области диодной структуры. Экспериментально установлено 6, что этот электрический параметр в диодах на кремнии в достаточно широком и важном для практики диапазоне доз облучения (Ф)(гамма-квантами, быстрыми электронами, нейтронами и протонами) сохраняет линейный характер зависимости -1(Ф). Поэтому за критерий отбора диодов с равномерной по партииможно принять одинаковость относительных измененийННЗ в базе диода на начальном этапе облучения в условиях экстремальных температурных колебаний корпуса космического корабля, дающих возможность аппроксимировать результаты на промежуточные температуры и в пределах максимальной дозовой нагрузки. Тестирующее облучение проводится при -100 С и 100 С - минимальной и максимально возможной температуре корпуса космического аппарата, характерной для орбиты МКС, что значительно упрощает процедуру отбора. Облучение при более низких или высоких температурах ведет к увеличению времени испытания и снижает достоверность отбора. Флюенс облучения выбран экспериментально. При меньшем уровне облучения наблюдается размытость измененийННЗ, которая затрудняет определение начальной скорости изменения этого параметра, а при большем уровне наблюдаются изменения параметров диодов, устранение которых значительно усложнит предложенный способ. Пример конкретного исполнения. Основной эксперимент по опробованию данного способа отбора силовых кремниевых диодов для космических аппаратов был проведен на низкочастотных диодах, полученных на кремнии -типа проводимости, легированный фосфором до удельного сопротивления 18-30 Омсм. Краткая техническая характеристика диодов средний прямой ток при 100 С - 16 обратное напряжение - 1300-1800 В прямое напряжение 1,35 В. Для силовых диодов, используемых на низких частотах, и для отдельных приборов, не соединенных друг с другом последовательно, регулирование времени жизни неравновесных носителей заряда в приборной структуре не требуется, так как у каждого диода выбором исходного кремния уже гарантируется выполнение условия низкого падения напряжения в проводящем состоянии. При этом обеспечиваются значительные накопленный заряд и время обратного восстановления диода, но для данных условий применения это уже не имеет существенного значения. Использовалась партия диодов в количестве 35 штук. Предварительный контроль параметров у отобранных приборов показал, что все диоды имеют значения параметров прямой и обратной ветви вольтамперной характеристики, гарантированные заводомизготовителем. Для проведения отбора все 35 диодов облучались электронами с энергией 6 МэВ при интенсивности пучка 11010 см-2 с-1. Сначала при температуре -1005 С в течение 500 сек,а затем при температуре 1005 С также в течение 500 сек. Флюенс облучения составил 11013 см-2. Последовательность проведения отбора. 1. У всех 35 диодов методом Лэкса 7 измеряетсяННЗ. Учитывая, что концентрация основных носителей в области базы составляет 1,5-2,31014 см-3, условия опыта (величина импульса прямого тока 1 А при длительности до 80 ) соответствовали высокому уровню инжекции. Исходные значенияННЗ составляли от 15 до 25 мкс. 2. Диоды размещались в закрытом термоизолированном контейнере перед выходным окном ускорителя электронов У-003. Необходимая температура задавалась продувкой паров жидкого азота. Азот испарялся из сосуда Дьюара при помощи электропечи. Конструк 3 15625 1 2012.04.30 ция трубопровода предусматривала подогрев паров азота и, таким образом, возможность получения и поддержания в контейнере с диодами требуемой температуры. 3. В контейнере устанавливается 1005 С и проводится первое облучение в течение 500 с. Пучок выключается. 4. Затем температура повышается до 1005 С и проводится повторное облучение в течение 500 с. Пучок выключается. Температуру в контейнере доводят до комнатной и диоды извлекают из контейнера. 5. Все облученные диоды проходят процедуру электрических измерений. Изменений прямой и обратной ветви ВАХ не выявлено. Их параметры находятся в полном соответствии с требованиями ТУ. Статистика наблюдаемых измененийННЗ следующая. Количество диодов, у которых начальное значениеуменьшилось в среднем на 7 , составило 9 шт. (группа 1), на 11- 21 шт. (группа 2) и на 15- 5 шт. (группа 3). Причем минимальный разброс по величине , в пределах 2 , имеют диоды группы 2. Внутри групп 1 и 3 разброс составил 6 и 11 соответственно. 6. Из общего количества силовых диодов (35 шт.), представленных на испытания, выявлены 21 изделие (группа 2), у которых скорость изменения величиныпри облучении оказалась практически одинаковой. Это позволяет отобрать группу 2 диодов как наиболее равномерную по радиационной стойкости, пригодной для комплектации космической аппаратуры. Была проведена экспериментальная проверка однородностидиодов из группы 2. С этой целью 21 диод группы 2 облучались различными дозами электронов с энергией 6 МэВ при средней интенсивности пучка электронов 21012 см-2 с-1 и на разных стадиях облучения измерялись их параметры обратный ток и прямое падение напряжения. Установлено, что все отобранные диоды этой группы действительно сохраняют работоспособность в пределах максимальной дозы облучения и выходят из строя одновременно. Таким образом, комбинированное воздействие небольшими дозами радиации в условиях экстремальных тепловых нагрузок, которым может подвергаться аппаратура в процессе эксплуатации, можно использовать как эффективное средство для отбора силовых кремниевых диодов однородных по стойкости к полной дозовой нагрузке, что обеспечит их стабильность работы в условиях космического пространства. Источники информации 1. Галеев А. и др. Отбор электронных изделий для аппаратуры, работающей в космосе // Электроника Наука, Технология, Бизнес. - 2009. -1. - С. 42-44. 2. Горлов М. и др. Технологические отбраковочные и диагностические испытания полупроводниковых изделий. - Мн. Бел. наука, 2006. - 367 с. 3. Чернышев А. и др. Радиационная отбраковка полупроводниковых приборов и интегральных схем // Зарубежная электронная техника. - 1979. -5. - С. 3-25. 4. Способ отбора изделий электронной техники по радиационной стойкости или надежности 2168735 2. Опубл. 10.06.01. 5. Способ отбраковки полупроводниковых приборов на основе кремния по радиационной стойкости Патент 11642 с приор. от 25.07.2007. 6. Коршунов Ф.П. и др. Радиационные эффекты в полупроводниковых приборах. Мн. Наука и техника, 1978. - С. 40-42. 7. . . // . . . - 1954. - . 25. -9. - . 1148-1154. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4