Численный анализ физических процессов в мощных биполярных полупроводниковых структурах с учетом радиационных воздействий Клебанов, Максим Павлович

Введение к работе

Актуальность темы:

В последние годы радиационно-технологические процессы (РТП), состоящие из последовательных операций обработки высоко-энергетичными частицами и термостабилизирующего отжига, успешно применяются в производстве полупроводниковых приборов, в частности, биполярных транзисторов и диодов. Радиационнс— термическое воздействие приводит к формированию устойчивых дефектов с энергетическими уровнями в глубине запрещенной зоны полупроводника, действующими как эффективные центры рекомбинации. Радиационные воздействия позволяют без каких-либо существенных изменений параметров существующего технологического процесса, без разрушения готовой приборной структуры изменять в ней время жизни носителей заряда и оптимизировать параметры и характеристики прибора. Однако, оптимальное сочетание электрофизических параметров и характеристик различных областей диодной или транзисторной структуры приходится искать методом проб и ошибок при разработке радиационной технологии конкретных приборов.

Ускорить и упростить решение задач оптимизации можно путем использования вычислительного эксперимента, основанного на численном решении фундаментальной системы уравнений (ФСУ) физики полупроводников применительно к исследуемой приборной структуре. Современные системы численного анализа успешно моделируют электрические характеристики полупроводниковых структур с произвольным распределением легирующей примеси, при низком и высоком уровнях инжекции, разнообразных способах и законах генерации-рекомбинации и механизмах рассеяния носителей заряда. Известен также ряд работ по моделированию радиационных воздействий на структуры полупроводниковых приборов. Однако, самым сложным и не до конца выясненным является учет процессов локальной рекомбинации-генерации носителей заряда в облученной структуре. Разработка и применение моделирующих программ, позволяющих учитывать технологические радиационные воздействия, представляется актуальной задачей для производства современных приборов, а также детального анализа физических процессов в структурах.

Цель диссертационной работы - во-лервых, применить методы и программы численного решения фундаментальной системы уравнений физики полупроводников для анализа процессов в структурах мощных биполярных приборов с учетам радиационных воздействий; во-вторых, разработать модели для анализа и оптимизации параметров и характеристик приборных структур с использованием радиационной технологической обраJotw/i.

Для достижения указанных целей в работе были поставлены следующие задачи:

1. Разработать алгоритм и программу для анализа физических процессов в полупроводниковых структурах при высоком уровне инжекции с возможностью задания произвольных значений времени жизни носителей заряда и его пространственно неоднородного распределения.

2. Предложить методику учета радиационных воздействий в программах численного приборно-схемотехнического анализа, пригодную для прогнозирования изменений параметров структур в результате технологического облучения потоком электронов с энергией (2 + 10) МэВ.

3. Провести экспериментальное исследование статических и динамических параметров и характеристик мощных диодов и транзисторов для определения численных значений параметров модели радиационного воздействия.

4. Исследовать электрофизические характеристики вводимых радиационных дефектов и провести анализ их влияния на статические и динамические параметры диодных и транзисторных структур.

5. Провести численный анализ методов оптимизации параметров диодных и транзисторных структур с помощью технологического радиационного воздействия. Сравнить результаты анализа с экспериментально полученными характеристиками улучшения быстродействия и снижения рассеиваемой в приборах мощности.

Научная новизна представленных в работе результатов заключается в следующем.

1. Для программ численного анализа предложена методика учета радиационных воздействий, основанная на введении дополнительной зависимости времени жизни носителей от суммарной концентрации примесей в активных областях структуры. По результатам эксперимента получены численные значения параметров модели для

~ 5-

диапазона потоков (10¹³ + 10¹⁵) см"² облучения электронами с энергией (2-f 10)МэВ. Методика использована в программах \нализ и ИСТОК.

2. Проведен анализ зависимости параметров прямой ВАХ. диодной структуры от энергетического положения рекомбинационного уровня с использованием многоуровневой модели рекомбинации-генерации. Показано, что при большой плотн сти прямого тока (> 10 А/см² при легировании эпитаксиального слоя базы 4-Ю¹⁴ см~³ (фосфор)) эффективными являются все вводимые облучением дефекты. При малом уровне инжекции (< 1 А/см²) оказываются эффективными дефекты с уровнями Е_с - 0,3, Е_с - 0,4, E_v + 0,33 эВ.

3. Установлено, что коэффициент передачи тока базы транзистора со структурой БСИТ типа КП934 при плотности тока коллектора свыше 10 А/см не зависит от энергетического положения рекомбинационного центра и определяется инжекционной способностью эмит-терного .перехода. При малом уровне инжекции (< (1 -ьЗ)А/см²) эффективными центрами рекомбинации, определяющими значение Пгъ, являются дефекты с уровнями, лежащими вблизи середины запрещенной зонУ.

4. Установлено, что время выключения диодной, структуры определяется наличием всех вводимых облучением центров. Однако, характер зависимости времени выключения от тока для разных центров отличается. Для центров _с - 0,17 эВ время выключения растет с уменьшением тока, а для центров г_с-0,4, _с-0,3 и Е^+0,ЗЗэВ падает. Определены соотношения параметров радиационных центров, при которых результаты расчета соответствуют наблюдаемым экспериментально зависимостям времени выключения от тока.

5. Проведен сравнительны" анализ оптимизации свойств диодных структур методами локального облучения (в частности, альфа-частицами) и общего облучения (электронного или гамма). Показано, что локальное и общее облучение приводят практически к одинаковым результатам снижения времени выключения при допустимом увеличении прямого напряжения. Однако, за счет более длительного процесса извлечения накопленного заряда, рассеяние энергии в локально облученной структуре больше, чем при общем облучении. Делается вывод о целесообразности использования общего облучения для оптимизации параметров структур высоковольтных импульсных диодов. '

6. Показана возможность применения программ численного анализа для исследования влияния слоев структуры с аномальными

- 6 —

свойствами (в частности, /-слоя на границе сильно леп.рованных областей п*-р эмиттерного перехода) на параметры и характеристики приборов. Установлено, что /-слой толщиной до 0,5 мкм в эмиттере мощного транзистора обнаруживается лишь в аномалии вольт-фарадной характеристики перехода, но не влияет на усилительные свойства и ВАХ рассматриваемого класса приборов.

Практическая полезность работы:

1. Разработана программа Анализ для численного расчета одномерных полупроводниковых структур при высоком уровне инжек-ции, позволяющая анализировать влияние времени жизни носителей на статические и динамические характеристики приборов.

2. Для анализа радиационных воздействий при произвольном уровне инжекции предложена методика использования программ смешанного приборно-схемотехнического анализа ИСТОК с возможностью двумерного моделирования полупроводниковых структур.

3. Получены расчетные зависимости параметров структур от дозы облучения, предназначенные для выбора оптимального сочетания параметров.

4. Выполнен расчет статических" и динамических параметров транзисторной структуры БСИТ КП934 в зависимости от дозы электронного облучения для выбора оптимального сочетания параметров по критерию рассеиваемой в приборе мощности в импульсном режиме. Показана возможность снижения рассеиваемой мощности в транзисторе, работающем в схеме с индуктивно-резистивной нагрузкой, типичной для генераторов развертки, ключевых стабилизаторов напряжения, импульсных источников вторичного электропитания.

5. Разработаны и изготовлены макеты автоматизированных на основе ЭВМ установок релаксационной спектроскопии глубоких уровней, снятия вольт-фарадных и вольт-амперных характеристик, которые могут быть эффективно использованы в экспериментальных исследованиях приборных структур различных типов.

6. Обоснована методика определения эффективного (суммарного) времени жизни в структуре Хзфф при радиационных технологических обработках, по измерениям длительности фазы высокой проводимости перехода при выключении.

7. Аппаратура, методики и программы численного анализа используются в учебном, процессе кафедры Полупроводниковой электроники и физики полупроводников МИСиС.

' Основные положения, выносимые на защиту:

8. Модель учета радиационных воздействий на полупроводниковые структуры для программ численного анализа, основанная на дополнительной концентрационной зависимости времени жизни носителей заряда.

9. Программа анализа физических явлений в полупроводниковых структурах при высоком уровне инжекции. ^v

10. Модель системы- энергетических уровней радиационных дефектов для описания зависимости времени пєрєіслючения диодной структуры от плотности тока.

11. Результаты расчета зависимости статических и динамических параметров диодных и транзисторных структур от энергетического положения рекомбинациснных центров, введенных облучением.

12. Результаты численного анализа параметров и характеристик транзисторных структур типа КП934 с учетом радиационных воздействий.

S. Экспериментальные зависимости параметров и характеристик диодов и транзисторов от режима работы, уровня радиационного воздействия и условий отжига.

Апробация работы

Основные результаты роботы докладывались и обсуждались на ежегодном научно-техническом семинаре "Шумовые и деградаци-онныэ процессы в полупроводниковых приборах (метрология, диагностика,'технология)", г.Москва, 28 ноября - 1 декабря 1994г., 2-4 декабря 1996 г., на конференции "Микроэлектроника для атомной энергетики", г. Лыткарино, июнь 19SSr., иа научно-техническом семинаре "Кремний-93", г.Москва, 1393г., на Международной научно-технической конференции "Конверсия. Приборостроение. Рынок" г.Суздаль, 14 - 1S мая 1397г., а также иа научных конференциях МИСиС в 1993, 1S94 и 1995 гг.

Публикации ,

По материалам диссертации в различных изданиях опубликовано 7 работ.

Структура к объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, чатырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа содержит 190 страниц, включая 86 рисунков, 6 таблиц и библиографию из 93 наименований.

Похожие диссертации на Численный анализ физических процессов в мощных биполярных полупроводниковых структурах с учетом радиационных воздействий

Вейвлет-анализ шумовых процессов в полупроводниковых структурахКукоев Игорь Юрьевич

Анализ генерационно-рекомбинационных и туннельно-рекомбинационных процессов в областях пространственного заряда сложных полупроводниковых структур по экспериментальным вольтамперным характеристикамЕрмаков, Михаил Сергеевич

Моделирование электронной структуры, процессов образования и взаимодействия наноразмерных кластеров на основе углеродаРоткин, Вячеслав Вячеславович

Рекомбинационные процессы в структурах на основе твердого раствора InGaNПотанахина Любовь Николаевна

Исследование влияния динамики и кинетики процессов самоорганизации структуры ступеней и островков псевдоморфных пленок на вицинальных поверхностях полупроводников Ланцова Ольга Юрьевна

Разработка и исследование варизонных P-I-N-структур и фотоэлектрические процессы деградации в нихУсмонов, Шукрулло Негматович

Магнитные и деформационные процессы в полупроводниковых структурах с магнитными слоями для микромеханических устройствГорячев Андрей Викторович

Высокотемпературные электротранспортные процессы в полупроводниковых структурах с участием жидкой фазыСкворцов, Аркадий Алексеевич

Электронные процессы в тонкопленочных электролюминесцентных структурахСамохвалов, Михаил Константинович

Кинетическое моделирование неравновесных процессов в субмикронных диодных структурахКарташова, Ольга Александровна