Способ изготовления термокомпенсированных стабилитронов

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТЕРМОКОМПЕНСИРОВАННЫХ 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 изготовления термокомпенсированных стабилитронов, включающий облучение стабилитронов пучком электронов с энергией от 2 до 10 МэВ и последующий отжиг в течение 10-15 мин, отличающийся тем, что облучение проводят флюенсом от 21016 до 21017 см-2 при температуре от 293 до 423 с последующим отжигом при температуре от 423 до 443 для стабилитронов, работающих в интервале температур от 213 до 398 ,или флюенсом от 81016 до 81017 см-2 при температуре от 203 до 243 с последующим отжигом при температуре от 333 до 353 для стабилитронов, работающих в интервале температур от 77 до 213 . Изобретение относится к электронной технике, а более конкретно к технологии полупроводниковых приборов, в частности к радиационной обработке кремниевых стабилитронов с лавинным механизмом пробоя, и может быть использовано в их массовом производстве. Полупроводниковые стабилизаторы напряжения - стабилитроны - представляют собой кремниевые диоды с напряжением пробоя (являющимся напряжением стабилизации) от единиц вольт до 100 В и выше. Стабилитроны на низкие напряжения стабилизации изготавливаются на низкоомном материале, тогда как высоковольтные переходы имеют достаточную ширину и в них лавинный пробой начинается значительно раньше, чем напряженность электрического поля достигает величины, необходимой для пробоя полем(туннельного пробоя). Приблизительно при напряжении пробоя выше 8 В пробой в стабилитронах является лавинным. В области от 8 до 6 В пробой определяется действием как лавинного, так и туннельного механизмов. В области напряжений ниже 6 В действует только туннельный механизм 1. С изменением температуры величина напряжения пробоя изменяется. Соответственно меняется и величина напряжения стабилизации. Одной из серьезных причин изменения 10231 1 2008.02.28 пробивного напряжения с температурой является изменение длины свободного пробега носителей заряда. Длина свободного пробега в слаболегированных полупроводниках с лавинным механизмом пробоя определяется столкновениями носителей с кристаллической решеткой. При рассеивании носителей на решетке длина свободного пробега с увеличением температуры уменьшается, а напряжение пробоя возрастает. Следовательно, лавинный пробой характеризуется положительными значениями температурного коэффициента напряжения стабилизации (ТКН). В лавинных стабилитронах он имеет величину(0,20,5) / С. Чем меньше величина этого коэффициента, тем качество стабилитронов считается выше. В связи с этим снижение ТКН стабилитронов является важной практической задачей. Для уменьшения ТКН (что очень важно для различных прецизионных электронных систем) прибегают к сложным технологическим приемам. Это достигается, например, последовательным соединением необходимого количества переходов с малым ТКН (с напряжением стабилизации 6-7 В). Другим способом уменьшения ТКН может быть подбор переходов с равным по величине, но противоположным по знаку ТКН 1. Известен 2 способ создания комбинированной структуры с несколькими переходами, соединенными таким образом, что один из них включен в обратном, а остальные в прямом направлении. Из-за того что температурный коэффициент падения напряжения на обратносмещенном переходе имеет противоположный знак по отношению к температурным изменениям падения напряжения на прямосмещенных переходах, достигается компенсация температурных изменений напряжения стабилизации такого стабилитрона с достаточно большой точностью (ТКН 0,004 /). Недостатками технологических способов являются большой разброс параметров стабилитронов и, как следствие, низкий процент выхода годных приборов. Известен 3 также 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 ), что ограничивает возможности способа. Известен 4 способ обработки лавинных диодов, работающих на участке пробоя вольт-амперной 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 (213-398 ), так и в области пониженных температур (77-213 ) 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 стабилитронов в диапазоне температур 213-398 и 77-213 . Поставленная цель достигается тем, что заявляемый способ изготовления термокомпенсированных стабилитронов, включающий облучение стабилитронов пучком электронов с энергией от 2 до 10 МэВ и последующий отжиг в течение 10-15 мин, отличается тем,что облучение проводят флюенсом от 21016 до 21017 см-2 при температуре от 293 до 423 с последующим отжигом при температуре от 423 до 443 для стабилитронов, работаю 2 10231 1 2008.02.28 щих в интервале температур т 213 до 398 , или флюенсом от 81016 до 81017 см-2 при температуре от 203 до 243 с последующим отжигом при температуре от 333 до 353 для стабилитронов, работающих в интервале температур от 77 до 213 . Заявляемое техническое решение отличается от прототипа тем, что для изготовления стабилитронов, работающих при 213-398 , используются комнатные и повышенные температуры облучения, а для стабилитронов, работающих при 77-213 , используются пониженные температуры облучения. Сущность изобретения состоит в том, что готовые приборы подвергают электронному облучению определенными дозами, поддерживая в зоне облучения заданную температуру. Такая радиационная обработка приводит к введению в требуемой концентрации в активные физические области полупроводниковой структуры стабилитрона радиационных дефектов. Возникающие дефекты создают новые энергетические уровни в запрещенной зоне полупроводника, являющиеся эффективными центрами захвата (ловушками) носителей заряда. Поэтому в результате облучения концентрация основных носителей, а также их подвижность в полупроводниковой приборной структуре будут снижаться. В облученных приборах наблюдается некоторое возрастание величины напряжения пробоя и снижение его зависимости от температуры. Последний эффект обусловлен тем, что степень заполнения радиационных центров, т.е. изменение концентрации свободных носителей,зависит от положения энергетического уровня дефекта, которое определяется температурой образца и дозой облучения. При небольших дозах положение уровня Ферми существенно не влияет на характер температурной зависимости пробивного напряжения. По мере увеличения дозы концентрация ловушек с энергетическим уровнем (или системой уровней) ниже уровня Ферми возрастает настолько, что при понижении температуры образца в интервале 213-398 и приближении уровня Ферми к уровню (уровням) ловушек существенно снижается концентрация основных носителей заряда, а следовательно, увеличивается ширина области объемного заряда и пробивное напряжение. Этим и можно объяснить компенсацию температурных изменений напряжения стабилизации 5. С одной стороны, с понижением температуры увеличивается длина свободного пробега горячих носителей в переходе, что ведет к снижению напряжения пробоя, с другой ширина облученного перехода возрастает с уменьшением температуры, тем самым обусловливая увеличение напряжения пробоя. В случае равенства этих изменений имеет место температурная компенсация падения напряжения на обратносмещенном диоде. Согласно общепринятым представлениям физики полупроводников, в облученном кремнии образуются различные типы дефектов, которые приводят к возникновению целого спектра энергетических уровней в запрещенной зоне. Причем соотношение вводимых типов дефектов, а следовательно, и доминирование в кристалле полупроводника тех или иных радиационных центров, определяется условиями облучения, основными из которых являются температура и доза облучения. Таким образом, температура, при которой происходит облучение стабилитронов, определяет концентрационное соотношение радиационных центров, вводимых в полупроводниковую структуру. При пониженных температурах более эффективно вводятся центры, которые формируют температурную зависимость пробивного напряжения в диапазоне 77-213 , а при комнатных и повышенных температурах наиболее эффективно вводятся радиационные центры, определяющие температурную зависимость напряжения пробоя при 213-398 . Интервалы температур облучения выбраны экспериментально. При температурах облучения 293-423 и 203-243 соответственно для диапазона температур эксплуатации 213-398 и 77-213 процессы дефектообразования обнаруживают тенденцию к преимущественному накоплению тех типов радиационных дефектов, которые определяют снижение ТКН и в меньшей степени способствуют нежелательному изменению величины дифференциального сопротивления. Выход за пределы выбранных температур облучения приводит к худшим результатам. 3 10231 1 2008.02.28 Выбранный диапазон доз облучения является оптимальным для данного технического решения. При флюенсах, меньших 21016 см-2 и 81016 см-2 соответственно для диапазона температур эксплуатации 213-398 и 77-213 , ТКН лавинных стабилитронов снижается незначительно, а при флюенсах, больших 21017 см-2 и 81017 см-2 соответственно для первого и второго эксплуатационного диапазона, начинают ухудшаться другие параметры стабилитронов. Например, дифференциальное сопротивление увеличивается до значений,превышающих величину этого параметра по нормам ТУ для приборов данного типа. Пример конкретного выполнения. По предложенному способу были подвергнуты электронному облучению и отжигу шесть партий стабилитронов с начальным значением ТКН, равным (18-20)10-2 / С. Полученные данные по этому параметру сведены в табл. 1 и 2. Таблица 1 Для приборов, эксплуатируемых при 213-398 Температурный коэффициент напряРежимы облучения жения стабилизации, ТКН 10-2 (/ С) Примеры начальное значетемпература обпосле обработки доза, см-2 ние лучения,1 2 3 4 5 16 2 20 9 213 110 16 3 20 8,5 293 210 16 4 18 7,5 343 510 16 5 18 7,25 383 810 17 6 20 8,5 423 210 17 7 18 12,5 473 510 Прототип,отжиг прово 18 15 293 51016 дился при 250 С После радиационной обработки проводят стабилизационный отжиг при 150-170 С в течение 10-15 мин с целью обеспечения гарантированной термостабильности параметров стабилитронов при максимальных положительных температурах эксплуатации (125 С). Таблица 2 Для приборов, эксплуатируемых при 77-213 Температурный коэффициент напряРежимы облучения жения стабилизации, ТКН 10-2 (/ С) Примеры температура обначальное значение после обработки доза, см-2 лучения,1 2 3 4 5 16 2 20 173 410 16 3 20 7,25 203 810 17 4 18 6,5 213 210 17 5 18 6,25 223 410 17 6 20 6,55 243 810 8 7 18 12,5 293 210 Прототип,отжиг прово 18 16 293 51016 дился при 250 С 4 10231 1 2008.02.28 После радиационной обработки проводят стабилизационный отжиг при 60-80 С в течение 10-15 мин с целью обеспечения гарантированной термостабильности параметров стабилитронов в возможных условиях хранения приборов (25-40 С). Из таблиц видно, что у всех стабилитронов, эксплуатируемых при 213-398 и при 77213 , после облучения, соответственно, дозами 21016-21017 см-2 при температурах облучения 293-423 и дозами 81016-81017 см-2 при температурах облучения 203-243 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 табл. 1 и 2 показывает, что выход за пределы граничных значений дозы и температуры 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. Пасынков В.В. и др. Полупроводниковые приборы. - М. Мир, 1973. - С. 100. 3. Патент США 3400306, МПК 317-234, 1968. 4. Патент Россия 2100872, МПК Н 01 21/263, 1997. 5. Коршунов Ф.П., Марченко И.Г. Исследование температурной зависимости напряжения лавинного пробоя кремниевых переходов, содержащих радиационные дефекты. Доклады АН БССР. - 1981. - Т. 25. -5. - С. 416-419. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5