Материал: Радиационные эффекты в диэлектриках

Рисунок 13 - зависимость коэффициента запирания К_зап и остаточного напряжения в открытом состоянии U_t запираемого тиристора (номинальный ток 2 А, максимальное блокируемое напряжение <1000 В) от флюенса электронного облучения. 1- U_t; 2 - К_зап

Таким образом, очевидно, что с помощью радиационного облучения можно существенно увеличивать эффективность запирания тиристоров, выключаемых по электроду управления, не допуская при этом выхода значения остаточного напряжения за пределы, указанные в ТУ. Наиболее перспективным силовым полупроводниковым прибором в настоящее время является биполярный транзистор с изолированным затвором (БТИЗ). Этот прибор изготавливается, в отличие от биполярных транзисторов, на p+-подложке, служащей коллектором, с последующим эпитаксиальным наращиванием дрейфового слоя n-типа; управляющая МОП-структура формируется затем на этом слое с помощью процессов, аналогичных используемым при изготовлении мощных МОП-транзисторов. Такая структура позволяет получить высокие параметры - большие рабочие напряжения и плотности прямого тока. Однако вовлечение неосновных носителей в процесс передачи тока обусловило сравнительно низкое их быстродействие, что существенно ограничивает область применения этих приборов. Достичь его увеличения нам удалось благодаря использованию в технологии их изготовления только проникающих излучений . В данном случае радиационной технологии нет альтернативы.

Транзисторы (БТИЗ) изготавливались на НПО «Интеграл», радиационная обработка проводилась в Институте физики твердого тела и полупроводников НАН Беларуси на ускорителе электронов ЭЛУ-4. Определены оптимальные режимы радиационной и термической обработки БТИЗ с напряжением на коллекторе 500 В и токе 10 А, которые позволили достичь время переключения 130 нс (зарубежные аналоги имеют 200 нс) при дозе Ф ~8∙10 ¹⁴см^-2, энергии электронов 4 МэВ, температуре отжига Тотж.=400 ⁰С.

Следует в качестве примера указать еще на один тип cоставного транзистора, собранного по схеме Дарлингтона, быстродействие которого удалось существенно повысить, используя электронное облучение . Дело в том, что мощные биполярные транзисторы при высоких плотностях тока имеют, как правило, низкое значение коэффициента усиления по току β. Для исключения этого недостатка мощный составной транзистор образуется из двух транзисторов, соединенных по схеме Дарлингтона, что дает значительное увеличение β. Однако при этом скорость переключения составного транзистора снижается. Опытная партия транзисторов была изготовлена на НПО «Интеграл», радиационная обработка проводилась в ИФТТП НАН Беларуси. Были отработаны режимы радиационной и термической обработки, которые позволили повысить быстродействие составных транзисторов в 2 раза при сохранении коэффициента усиления в пределах нормы.

Были определены экспериментальные значения времени выключения - рисунок 14 и коэффициента усиления по току - рисунок 15, усредненные по 10 образцам для 5 групп составных транзисторных структур с различными исходными β₀, в зависимости от флюенса электронов, а также от длительности отжига при 433 К. В результате облучения при Ф = (2-5)∙10¹³ см^-2 время выключения снижается в область норм ТУ (t выкл≤2,5 мкс).

Рисунок 14 - изменение времени выключения составных транзисторных структур в зависимости от флюенса электронов (Е=6 МэВ) и длительности отжига при 433 К

Последующий отжиг в течение 1-2 ч приводит к дальнейшему уменьшению величины tвыкл, но более длительный отжиг ухудшает быстродействие транзисторов. Величина β уменьшается после облучения и частично восстанавливается после отжига в течение 1-8 ч, но при этом остается с двойным запасом в пределах ТУ. Были изучены изменения динамических (время рассасывания t_p, время жизни неосновных носителей заряда в коллекторе τк) и статических (напряжение насыщения коллектор-эмиттер Uкэн, коэффициент передачи тока базы β) параметров мощных биполярных транзисторных n+-n-p-n+-структур в зависимости от дозы гамма-излучения Со60 и электронов с энергией Ее = 4 МэВ с учетом влияния доминирующих радиационных дефектов.

Рисунок 15 - влияние электронного облучения с Е=6 МэВ и отжига при 433 К в течение 1-8 ч на коэффициент усиления по току составных транзисторных структур

Транзисторные структуры изготавливались на основе ядерно-легированного кремния n-типа с удельным сопротивлением 70÷90 Ом∙см (коллектор), р-база создавалась ионным легированием бором, n+-эмиттер- диффузией фосфора. Структуры облучались электронами на линейном ускорителе ЭЛУ-4 флюенсами Фе=10¹²÷3∙10¹³ см^-2, а также флюенсами гамма-квантов Фγ=3∙10¹⁴÷6∙10¹⁵см^-2 на установке «Исследователь».

Исследования изменений основных параметров мощных транзисторных структур при электронном облучении показали - рисунке 16, что в диапазоне Фе=10¹⁰÷10¹³см^-2 зависимости обратных значений трех параметров от флюенса электронов аппроксимируются линейными функциями:

где t_p.o = 7,4∙10^-6 с, τ_k.o = 1,8∙10 ^-5с, β₀ = 9,0 -значения параметров до облучения; K_t = 1,8∙10 ^-8см ² ∙с^-1, К_τ = 7,0∙10^-9 см 2∙с ^-1, К_β= 1,3∙10 ^-14 - коэффициенты радиационного изменения соответствующих параметров.

Рисунок 16 - изменения параметров t_p ^-1 (1), τ_k^-1 (2) и β^-1(3) транзисторных структур в зависимости от флюенса электронов

Аналогичные зависимости параметров транзисторных структур были также получены и от флюенса гамма-квантов Фγ. Кроме того, было установлено, что изменение напряжения насыщения при электронном или гамма-облучении - рисунок 17 с достаточной точностью можно представить квадратичной зависимостью от флюенсов излучений:

где U_кэн.о= 0,2 ÷0,4 В - величина напряжения насыщения до облучения, К_u= 1,3∙10 ^-25В∙см⁴ или 1,4∙10^-31 В∙см4 - коэффициенты его радиационного изменения при воздействии электронов или гамма-квантов соответственно.

Анализ полученных результатов показал, что радиационные изменения параметров мощных транзисторных структур определяются процессами дефектообразования в основном в высокоомном n-коллекторе (t_p, τ_к, U_кэн) и частично в р-базе (β).

Рисунок 17 - изменение напряжения насыщения транзисторных структур в зависимости от Ф_е² или Ф_γ²

С помощью DLTS-спектроскопии были определены концентрации доминирующих радиационных дефектов (А-центров) NA в коллекторном слое транзисторных структур. Установлено ,что зависимости NA от флюенса частиц подчиняются линейному закону:

где КN = 2,7∙10^-2 см^-1 или 1,4∙10 ^-4см^-1- коэффициент радиационного изменения концентрации дефектов, возникших при электронном или гамма-облучении соответственно. Отсюда можно выявить взаимосвязь изменений электрических параметров транзисторных структур и параметров радиационных дефектов. Например, используя зависимости (8) и (12), получим:

Соответствующие изменения времени рассасывания от концентрации А-центров, образующихся при воздействии электронов или гамма-квантов, показаны на - рисунке 18. В случае электронного облучения подобная зависимость выражена значительно сильнее, чем при облучении гамма-квантами. Это связано с тем, что при электронном облучении наряду с А-центрами вводятся еще и другие радиационные дефекты (VV, V-P), влияющие на быстродействие транзисторных структур.

Рисунок 18 - зависимости t_p^-1 (NA) при облучении транзисторных структур электронами (1) или гамма-квантами (2)

3.СПЕЦИФИКА МЕХАНИЗМОВ РАДИАЦИОННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ

.1 Радиационная стойкость материалов

Физические механизмы радиационных воздействий на материалы и элементы оборудования КА зависят от вида и энергии воздействующего излучения, типа облучаемого материала, условий облучения - интенсивности воздействующего излучения (мощности дозы), температуры материала и ряда других факторов. Поскольку ионизирующее излучение космического пространства является многокомпонентным по составу и энергии, причем его составляющие могут воздействовать на КА в различных сочетаниях и в разной временной последовательности, то возникающие в материалах КА радиационные эффекты имеют весьма сложный характер.

Радиационными эффектами принято называть любые изменения структуры, свойств, состояния вещества или материала, вызываемые действием излучения. Трудность анализа радиационных эффектов усугубляется также сложностью состава и структуры многих материалов, используемых в конструкции КА: композитов, полимеров, многослойных тонкопленочных структур и т.д.

Обратимые и необратимые изменения свойств материалов происходят за счет всех процессов преобразования энергии ионизирующего излучения в веществе.

Электронно-дырочные пары, генерируемые в твердом теле тормозящимися заряженными частицами в результате ионизационных потерь энергии, вызывают радиационную проводимость, радиолюминесценцию, радиационное окрашивание и радиационно-химические превращения.

Радиационная проводимость и радиолюминесценция определяются в основном мощностью дозы излучения и относительно быстро исчезают после прекращения облучения. Время релаксации составляет ~10^-9-10^-1 с в зависимости от типа материала. Эти явления характеризуют типичную картину обратимых радиационных процессов. Радиационное окрашивание диэлектриков и радиационно-химические превращения в основном зависят от суммарной поглощенной дозы излучения. Время релаксации таких явлений достигает 1∙10^-7с и более. Носители заряда, образующиеся в облучаемом веществе, создают стационарные и нестационарные токи и приводят к накоплению объемного заряда в диэлектриках, который может сохраняться в течение длительного времени. Последний процесс, как мы увидим далее, может быть причиной возникновения электрических разрядов в диэлектрических материалах КА.

Образование радиационных дефектов под действием ионизирующего излучения космического пространства имеет ряд особенностей. Дефекты, создаваемые различными компонентами излучения, сложным образом взаимодействуют между собой и с исходными дефектами облучаемой структуры, в результате чего могут возникать синергетические эффекты, заключающиеся в том, что при одновременном или последовательном воздействии на материалы КА нескольких факторов конечный эффект не равен сумме эффектов от воздействия отдельных факторов. При этом комплексное воздействие факторов космического пространства может как усиливать, так и ослаблять повреждение материалов. Применительно к воздействию космической среды на материалы КА синергетические эффекты исследованы совершенно недостаточно, их изучению уделяется большое внимание.

Важно отметить, что воздействие космического ионизирующего излучения на материалы КА происходит на фоне воздействия других факторов: солнечного электромагнитного излучения, горячей и холодной космической плазмы и т.д., в условиях невесомости и знакопеременной температуры, диапазон изменения которой для материалов, находящихся на поверхности КА, составляет от -150 до +100°C. Это еще более усложняет характер процессов, протекающих в материалах и элементах оборудования КА.

Для описания радиационной стойкости материалов и элементов оборудования используется ряд строго определенных терминов:

♦ радиационная стойкость материалов - их способность выполнять определенные функции и сохранять заданные характеристики и параметры в пределах, установленных техническими требованиями, во время и после воздействия ионизирующих излучений;

♦ предел радиационной стойкости - доза или флюенс ионизирующего излучения, при которых изменения основных наиболее важных технических характеристик материалов не превышает допустимых значений;

♦ радиационный отказ - нарушение работоспособности материала, элемента, изделия за счет воздействия ионизирующих излучений.

Усредненные данные о радиационной стойкости некоторых материалов и элементов оборудования, используемых при создании КА, приведены в таблице 3.

Таблица 3 Радиационная стойкость материалов и элементов оборудования КА.

Из рассмотрения таблицы 3 видно, что в наибольшей степени подвержены воздействию космической радиации полупроводниковые и оптические материалы, в меньшей степени - полимерные материалы и терморегулирующие покрытия, а наиболее высокую стойкость к воздействию радиации имеют металлы.

Использование таких усредненных данных позволяет классифицировать материалы по уровню радиационной стойкости и производить предварительный выбор элементов оборудования КА для различных условий эксплуатации. Окончательный выбор материалов осуществляется на основании результатов комплексных лабораторных и натурных испытаний и сведений о поведении материалов в космической среде, получаемых методами математического моделирования.

3.2 Воздействие ионизирующих излучений

Одним важным эффектом, обусловленным воздействием ионизирующих излучений космического пространства, является радиационная электризация диэлектрических материалов, под которой понимают накопление электрического заряда на их поверхности или в объеме. Соответственно различают поверхностную и объемную (внутреннюю) электризацию. В условиях космического пространства поверхностная электризация диэлектриков внешней оболочки КА вызывается воздействием горячей магнитосферной плазмы, электроны которой с характерными энергиями до 50−100 кэВ проникают в материал на глубину ~20−30 мкм, а объемная электризация - воздействием электронов РПЗ (1) с энергиями ~2−10 МэВ, способных проникнуть в толщу диэлектрика на 0,5−2 см.

Причиной разделения радиационной электризации диэлектриков на поверхностную и объемную является не только отличие глубин локализации внедренного электрического заряда, но также и существенное отличие в указанных двух случаях физических процессов накопления заряда, потоков первичных заряженных частиц, приводящих к его накоплению, и временных характеристик процессов.

При заряжении в горячей магнитосферной плазме характерные величины первичных токов составляют ~10-10-10-8 А⋅см-2, а продолжительность заряжения изменяется от долей секунды до десятков минут. Большие времена относятся к реальным КА, на которых в процессе заряжения происходит перераспределение зарядов. Поверхностная электризация диэлектриков внешней оболочки КА в значительной степени определяется вторично- эмиссионными процессами включая фотоэлектронную эмиссию.

Объемное заряжение диэлектрических материалов КА под действием электронов РПЗ характеризуется следующими параметрами: ток электронов, ~10-13-10-11 А см-2, характерные времена заряжения измеряются часами. Вторично-эмиссионные токи в этом случае не оказывают влияния на процесс формирования внедренного объемного заряда. Существуют два подхода к описанию и анализу явления поверхностной радиационной электризации диэлектриков. При рассмотрении поверхностной электризации реальных КА, когда главной целью является получение картины распределения потенциала и напряженности электрического поля на поверхности аппарата и в прилегающем пространстве, вычисляется суммарный заряд на элементе поверхности без описания его распределения в приповерхностном слое диэлектрика. В этом случае уравнение для полного тока J, текущего через элемент поверхности, записывается в виде

= J_e − J_i− (δJ_e − ηJ_e + γJ_i+ J_ph) ± J_cond,

где J_e и J_i - электронный и ионный токи плазмы; δ, η, γ - коэффициенты истинной вторичной электронной эмиссии, отражения электронов, ионно-электронной эмиссии; J_ph - ток фотоэлектронной эмиссии; J_cond - токи утечки на металлический корпус КА и соседние элементы поверхности за счет объемной и поверхностной проводимости диэлектрика.

Величины первичных и вторичных токов, входящих в уравнение, зависят от потенциала КА относительно окружающей космической плазмы, причем для вторичных токов эта зависимость проявляется и через изменение значений вторично-эмиссионных коэффициентов, обусловленное изменением энергии первичных электронов и ионов. Равновесное значение потенциала КА определяется из решения уравнения при условии J =0. Для реальных КА сложной конфигурации с неоднородной поверхностью потенциалы отдельных ее участков могут значительно отличаться из-за различия электрофизических свойств находящихся на них диэлектрических материалов, различия условий попадания первичных частиц окружающей плазмы на эти участки, неодинакового освещения их Солнцем и т.д. При этом потенциал металлического корпуса КА не остается постоянным в процессе заряжения.

Во втором подходе, используемом в ряде случаев для анализа и интерпретации результатов лабораторных экспериментов по облучению диэлектриков электронами с энергией ~10-100 кэВ, предполагается возникновение в приповерхностной области двойного электрического слоя за счет ухода вторичных электронов из непосредственно примыкающего к поверхности слоя толщиной ~10-50 нм и локализации первичных электронов на глубине в несколько десятков микрометров.

Объемная электризация диэлектриков при их облучении электронами с энергиями ~1−10 МэВ, определяется следующими основными процессами:

♦ торможением первичных электронов в диэлектрике за счет ионизационных и радиационных потерь энергии;

♦ термализацией электронов в веществе с захватом их на ловушки разных типов;

♦ стоком электронного заряда из объема диэлектрика к облучаемой поверхности и подложке за счет токов, обусловленных собственной и радиационной проводимостью диэлектрика.

По мере накопления внедренного заряда в объеме диэлектрика возникает внутреннее электрическое поле, оказывающее воздействие на движение носителей заряда в диэлектрике. Токи и электрические поля в заряжаемом диэлектрике могут быть описаны общей системой уравнений, основанных на уравнении непрерывности, законе Ома в дифференциальной форме и уравнении Пуассона для данного вещества:

где ρ - плотность объемного заряда; j - вектор плотности тока; j_i - вектор плотности тока инжектируемых носителей; σE - составляющая тока в электрическом поле с напряженностью E, определяемая проводимостью диэлектрика σ; ϕ - потенциал, создаваемый внедренным зарядом.

В свою очередь, проводимость диэлектрика σ c учетом ее радиационной составляющей описывается выражением, приведенным в предыдущем разделе.

Характерные модельные распределения по глубине диэлектрика z напряженности электрического поля E и потенциала ϕ, рассчитанные для электронов с энергией 1 МэВ без учета собственной и радиационной проводимости диэлектрика, показаны на рисунке 1.

Рисунок 1 - распределение по глубине диэлектрика z напряженности электрического поля E и потенциала ϕ

Экспериментальными и расчетными методами исследовалась также динамика накопления объемного заряда в облучаемых диэлектриках.

На рисунке 1 приведена зависимость потенциала поверхности образца эпоксидного материала толщиной 725 мкм от времени при его облучении электронами со спектром, характерным для РПЗ в области ГСО. Данные лабораторных измерений (кривая 1) показаны вместе с результатами расчетов, выполненных при различных значениях темновой проводимости и коэффициента радиационной электропроводности. Видно, что без учета радиационной проводимости (кривая 2, Am = 0) при стандартной величине σ₀=5∙10^-17 Ом^-1∙см^-1 рассчитанный потенциал примерно в 2,5 раза превосходит экспериментальное значение. Наилучшее согласие с экспериментом наблюдается при Am=1∙10^-14 (кривая 3), а при Am=6.5∙10^-14 (кривая 5) рассчитанный потенциал значительно меньше полученного экспериментально. Кривая 4 показывает результаты расчета при σ₀=5∙10^-15 Ом^-1∙см^-1 и Am = 0, которые также близки к экспериментальным данным.

Таким образом, возникновение радиационной проводимости в рассматриваемом случае эквивалентно увеличению собственной проводимости примерно на 2 порядка.

Рисунок 2 - зависимость от времени облучения потенциала поверхности эпоксидного образца: 1 - экспериментальные данные; 2-5 - результаты расчетов

Приведенные данные свидетельствуют об отмечавшемся выше существенном влиянии радиационной проводимости на процессы накопления объемного заряда в диэлектриках. Следствием поверхностной и объемной электризации диэлектрических материалов под действием космического излучения является возникновение электрических разрядов на КА, которые вызывают сбои в работе бортовых систем за счет создаваемых электромагнитных помех, а также могут приводить к необратимым повреждениям элементов оборудования. Возникновение электрических разрядов в диэлектриках КА может инициироваться воздействием других факторов космического пространства, в частности высокоскоростными ударами твердых микрочастиц естественного и искусственного происхождения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

полупроводник ядерный легирование

Рассмотрены физические основы и практические результаты использования проникающих излучений в технологии ядерного легирования полупроводниковых материалов (Si, GaAs), а также в производстве полупроводниковых приборов, в том числе мощных кремниевых диодов, тиристоров и транзисторов. Показана высокая эффективность применения радиационной технологии для повышения быстродействия изделий электронной техники, исключения операции диффузии золота или платины, улучшения качества, снижения себестоимости и повышения выхода годных приборов.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1 Ф.П. Коршунов. Вестник Академии наук СССР, 11, 80 (1982).

Вопросы радиационной технологии полупроводников. Под ред. Л.С.

Смирнова. Наука, Новосибирск (1980). 296 с.

Д. Динс. Радиационные эффекты в твердых телах. Изд-во иностранной литературы, М. (1960). 243 с.

Ф.П. Коршунов, Ю.В. Богатырев, В.А. Вавилов. Воздействие радиации на интегральные микросхемы. Наука и техника, Минск (1986). 254 с.

И.Б. Козлов, А.Г. Литвинко, П.Ф. Лугаков, С.В. Мищук, В.Д. Ткачев. ФТП 6, 10, 2048 (1972).

К. Ларк-Горовиц. Кн. «Полупроводниковые материалы». Под ред. В.М. Тучкевича. ИЛ, -М. (1954). С.62.

Ф.П. Коршунов. Радиация и полупроводники. Наука и техника, Минск (1979). 83 с.

Л.С. Смирнов, С.П. Соловьев, В.Ф. Стась, В.А. Харченко. Легирование полупроводников методами ядерных реакций. Наука, Новосибирск (1981). 182 с.

Ф.П. Коршунов, Л.М. Карпович, Е.С. Солодовников, В.И. Утенко, В.Ф.

Шох. Известия АН Беларуси, серия физ.-мат. наук, 2, 50 (1995).

Л.М. Карпович, Ф.П. Коршунов, Е.С. Солодовников, В.И. Утенко, А.В. Фотин, В.Ф. Шох. Доклады АНБ 36, 11, 982 (1992).

В.С. Вавилов, В.Ф. Киселев, Б.Н. Мукашев. Дефекты в кремнии и на его поверхности. Наука, М. (1990). 216 с.

Ф.П. Коршунов, В.Я. Красницкий, А.В. Мудрый, Ю.В. Богатырев, В.И.

Кульгачев, С.Б. Ластовский. Материалы Междунар. сем. «Конверсия научн. исслед. в Беларуси в рамках деятельности МНТЦ». Ч.2. Минск (май 1999 г.). С.178.

Ф.П. Коршунов, Ю.В. Богатырев, А.И. Дударчик, Н.Ф. Голубев, В.И. Кульгачев, С.Б. Ластовский. Известия НАНБ, серия физ.-техн. наук, 2, 80 (2000).

Ф.Л. Хауэр. ТИИЭР 76, 4, 36 (1988).

Ф.П. Коршунов, Ю.В. Богатырев, С.Б. Ластовский и др. Труды Х Межнационального совещания «Радиационная физика твердого тела». М. (2000). С.470.