СОДЕРЖАНИЕ
Стр.
ВВЕДЕНИЕ 5
Г ЛАВА I. Долговременные процессы в полупроводниковых приборах (Общий анализ и постановка задачи исследований)....................16
1.1 Долговременные процессы радиационного отклика и проблема обеспечения надежности работы полупроводниковых приборов
в полях ионизирующих излучений.....................................16
1.2 Комбинированное действие светового и электронного излучения на
характеристики примесного монокристалличсского кремния.............28
1.2.1. Физические процессы в примесном кремнии при
низкотемпературном воздействии электронным излучением..............28
1.2.2 Зависимость фотоэлектрических процессов в примесном кремнии
от уровня легирования..............................................32
1.2.3 Индуцированная примесная фотопроводимость в слаболегированном монокристаллнческом кремнии........................................34
1.2.4 Индуцированная отрицательная прыжковая проводимость в сильно легированном кремнии...............................................35
1.3 Использование релаксации для контроля параметров примесного кремния............................................................37
1.4 Особенности долговременных процессов в МОП-структурах..........44
1.4.1 Проблемы радиационной стойкости МОП-транзисторов и КМОП интегральных схем..................................................44
1.4.2 Радиационные изменения параметров МОП-транзисторов при воздействии ионизирующих излучений.................................51
1.4.3 Методология радиационных испытаний полупроводниковых приборов...........................................................56
1.4.4 Физические механизмы и модели радиационных изменений параметров
з
МОП-транзисторов......................................................60
1.4.5 Компьютерное моделирование радиационного отклика МОП-
транзисторов ..........................................................63
1.5. Выбор обобщенной модели долговременного радиационною отклика и
постановка задачи исследований.........................................71
ГЛАВА 2. Разработка криогенной аппаратуры для радиационных исследований индуцированной примесной фотопроводимости в монокристаллическом 8і<В>..............................................77
2.1 Выбор методики исследований и состава экспериментальной аппаратуры.............................................................77
2.2 Конструирование аппаратуры для радиационных исследований индуцированной примесной фотопроводимости в 8і<В>......................81
2.2.1 Общие требования к аппаратуре и ее компоновке ...................81
2.2.2 Криостат для радиационных исследований примесного кремния.....83
2.2.3 Источник электронного излучения и система контроля параметров электронного излучения.................................................88
2.2.4 Источники примесного и собственного оптического возбуждения 92
2.2.5 Система контроля и регулировки температуры.......................96
2.2.6 Автоматизированный измерительный комплекс для измерения фотоэлектрических параметров примесного кремния........................96
2.3 Разработка методов лабораторного моделирования спектрального распределения электронного излучения на ускорителях электронов 103
2.3.1 Постановка задачи моделирования спектра на ускорителях электронов............................................................101
2.3.2 Разработка методики моделирования...............................104
2.4 Экспериментальное моделирование спектрального распределения излучения на ускорителях электронов..................................111.
2.4.1 Моделирование электронных спектров на основе тормозного излучения.............................................................114
2.4.2 Моделирование с применением специальных рассеивающих экранов...
4
2.4.3 Моделирование электронов ЕРПЗ на бетатроне с управлением энергией электронов в каждом импульсе излучения..............................117
2.4.4 Оценка возможностей бетатрона для моделирования вариаций
характеристик поля электронного излучения...........................118
Выводы к главе 2....................................................124
ГЛАВА 3 Исследование фотоэлектрических процессов, индуцированных действием электронного излучения на Я1<В>...........................126
3.1 Исследование квазиравновесной индуцированной фотопроводимости
в слабо компенсированном примесном кремнии..........................126
3.2 Разработка модели индуцированной примесной фотопроводимости и слабо компенсированном Я1<В>........................................138
3.3 Исследование действия больших доз излучения на индуцированную примесную фотопроводимость в $<В>...................................154
3.4 Исследование индуцированной прыжковой проводимости в Б1<В> при
воздействии электронами.............................................156
Выводы к главе 3....................................................173
ГЛАВА 4. Компьютерное моделирование нелинейного долговременного радиационного отклика МОП-транзнстора...............................174
4.1 Метод вариативных сверток для моделирования нелинейных систем...174
4.2 Радиационная электрическая модель МОП-структуры.................176
4.3 Моделирование процессов радиационного отклика МОП-системы 184
4.4 Алгоритм метода вариативных сверток и идентификация параметров модели..............................................................199
4.5 Оценка радиационного отклика МОП-транзисторов радиационно-стойких
технологий методом вариативных свёрток..............................203
Выводы к главе 4....................................................232
ЗАКЛЮЧЕНИЕ..........................................................233
Библиографический список использованной литературы..................236
5
ВВЕДЕНИИ
Актуальность темы. Долговременные процессы изменения электрических параметров, которые инициируются ионизирующей радиацией в полупроводниковых приборах, изготовленных на основе кристаллического кремния, являются одним из существенных факторов, которые определяют надежность работы этих приборов в условиях действия факторов космического пространства. Примерами долговременных процессов, инициированных ионизирующей радиацией, являются индуцированная примесная фотопроводимость (НПФ), наблюдаемая в примесных ИК-фотоприемниках глубокого охлаждения на основе примесного кремния (рг - р - рг структуры), и долговременный отклик-структур металл-окисел-полупроводник (например, МОП-транзисторов) па воздействие ионизирующей радиацией. Фотоприемные устройства с глубокоохлаждасмыми примесными фотоприемниками на основе монокристаллнческого германия и кремния обеспечили достижение рекордной обнаружителыюй способности, приближающейся к теоретическому пределу даже в условиях низкого фона (!). В связи с этим основной областью применения примесных фоторезисторов стала космическая онтико-электронная аппаратура. Полупроводниковые приборы на основе МОП-структур широко применяются в составе бортовой аппаратуры космических аппаратов из-за их высокого быстродействия и малого энергопотребления. Вместе с тем мировая статистика показывает, ч то более 30% отказов космических аппаратов произошедших за 90-е годы связаны с воздействием ионизирующих излучений (2]. При сроке активного существования космического аппарата (КА) 10-15 лет уровни требований по радиационной стойкости близки к физическим возможностям изделий полупроводниковой электроники [3], поэтому проблема обеспечения радиационной стойкости электронной аппаратуры приобретает особо важное значение. Одним из направлений решения этой проблемы считается
6
совершенствование методов испытаний и прогнозирования работоспособности электронных полупроводниковых приборов в космических условиях. Важной задачей при этом считается учет режимов функционирования электронных приборов в натурных условиях и в процессе наземных испытаний [4|.
Значительная часть инициированных ионизирующими излучениями долговременных процессов связана с захватом неравновесных носителей заряда на ловушки в объеме полупроводника или в изолирующем окислом слое полупроводникового прибора. Длительность долговременных процессов радиационного отклика в полупроводниковых приборах на примесном кремнии может достигать десятков часов для примесных фотопрмем н и ков и нескольких лет для МОП-транзнсторов после окончания импульсного ионизирующего воздействия и сложным образом зависит от теплового и электрического режимов работы, а также от вида, интенсивности и длительности радиационного воздействия. Основная проблема изучения долговременных эффектов низкоинтенсивного облучения заключается в невозможности проведения исследований в реальном масштабе времени из-за большой длительности изучаемых процессов и малых скоростей изменения их характеристик. Вместе с тем, стандартная процедура радиационных испытаний полупроводниковых приборов на воздействие ионизирующих излучений космического пространства предусматривает их облучение при мощности дозы 102 - 10' рад/с, которая в 105 - І06 раз превышает мощность дозы в натурных условиях. В условиях ускоренных испытаний наблюдается целый ряд нелинейных эффектов искажающих получаемую информацию. Корректная экстраполяция результатов ускоренных испытаний на натурные условия становится возможной только на основе нелинейного моделирования.
К началу настоящей работы:
Во-первых, і» результате исследования воздействия с верх малых доз (до 10 рад) гамма-излучения Со-60 при температуре ниже 12 К на примесный
7
кремний была обнаружена долговременная НПФ связанная с перезарядкой примесей (5) и стала актуальной задача разработки средств и методов исследования индуцированной примесной фотопроводимости в условиях, когда образование радиационных дефектов существенным образом влияет на кинетику фотоэлектрических процессов. Классическая модель индуцированной проводимости в р-типа кремнии (6] не пригодна для описания кинетики ИГТФ при температуре ниже температуры ионизации примесей поскольку не учитывает влияние перезарядки основной примеси на примесную фотопроводимость. Кроме того, для обеспечения присущего натурным условиям эксплуатации примесных фотоприемников низкого фона теплового излучения и создания возможности изучения влияния на ИПФ спектрального состава электронного излучения потребовалась разработка специальной криогенной аппаратуры. Существовавшие к началу настоящей работы радиационные криогенные устройства не обеспечивали необходимую для проведения исследований комбинацию факторов воздействий, а методология исследований фотопроводимости в полной мере не учитывала целый ряд низкотемпературных факторов и эффектов, включая
- зависимость доминирующего механизма проводимости кремния от концентрации легирующей примеси, степени компенсации и температуры;
- аномально высокую скорость генерации радиационных дефектов на основе атомов легирующей примеси из-за эффекта Уоткинса;
- перезарядку примесей компонентами разделенных электронно-дырочных пар с соответствующим изменением подвижности носителей заряда;
- возможный захват основных носителей заряда - дырок (электронов) нейтральными атомами легирующей примеси с образованием Л (I)) -заряженных центров;
- перестройку дефектной системы под действием света со спектром, обеспечивающим собственное возбуждение кремния.
8
Во-вторых, получило развитие исследование радиационного отклика МОЛ-транзисторов на импульсное радиационное воздействие (Nava! Research Laboratory, США [7]; Harry Diamond Laboratories, CILIA [8]), а также построение на л oft основе упрощенных полузм лирических моделей расчета радиационного отклика, базирующихся на теории линейных систем (Sandia National Laboratory, США [9]; Nava! Research Laboratory, США [10}). Вместе с гем целый ряд наблюдаемых в условиях ускоренных испытаний радиационных эффектов таких как эффект "радиационно-индуцированной нейтрализации заряда”, эффект "полевою коллапса", характерных для работы МОІ 1-транзисторов в цифровых схемах и существенным образом влияющих на надежность их работы, не могут быть описаны в рамках теории линейных систем. В связи с этим стала актуальной задача разработки метода компьютерного моделирования нелинейного радиационного отклика МОП-транзистора, базирующегося на теории линейных систем и вместе с тем учитывающего основные нелинейные радиационные эффекты в MOJI-системах. Проблема нелинейного моделирования долговременного радиационною отклика МОЇ 1-транзисторов связана с необходимостью учета большою числа участвующих процессов с характерными временами от долей наносекунды до нескольких лет, а также влияющих факторов в виде параметров технологии производства, параметров электрического и теплового режима работы, а также параметров радиационных воздействий.
Цель работы - исследование инициированных ионизирующей радиацией долговременных процессов в глубокоохлаждаемых фоторезисторных кремниевых (р - р -р ) - структурах и МОГ1-транзисторах и построение физико-математических моделей этих процессов, пригодных для идентификации параметров моделей по результатам ускоренных лабораторных испытаний и для прогнозирования долговременного поведения полупроводниковых структур в изменяющихся электрических режимах работы.
9
Дтя достижения поставленной цели ставились следующие исследовательские задачи:
1. Разработка специальной криогенной аппаратуры и методики для радиационных исследований комбинированного действия
высокоэнергетического электронного и светового излучений на примесную фотопроводимость и индуцированную прыжковую проводимость в легированном кремнии при температуре 6*12 К и плотности потока фотонов теплового фона менее 101' см V.
2. Экспериментальное исследование в области температур 8*12 К' основных закономерностей долговременных процессов индуцированной примесной проводимости и фотопроводимости в облучаемом электронами примесном кремнии с малой степенью компенсации.
3. Разработка физико-математической модели возбуждения и долговременной релаксации индуцированной примесной фотопроводимости в слабо компенсированном примесном кремнии.
4. Разработка физико-математической модели изотермической релаксации индуцированной прыжковой проводимости по состояниям вблизи уровня Ферми в с малой степенью компенсации и методики идент ификации ее параметров.
5. Разработка метода компьютерного моделирования долговременного нелинейного отклика п-канального МОП-транзистора на радиационное воздействие с учетом изменяющегося электрического режима работы в процессе облучения и отжига.
Научная новизна работы отражена в выводах по отдельным этапам работ ы и в заключении по работе в целом.
Впервые разработаны:
I. Комплекс радиационно-криогенной аппаратуры для низкотемпературных радиационных исследований комбинированного действия светового и электронного излучений на примесную фотопроводимость в леггированных полупроводниках, который реализует импульсный метод исследования
10
кинетики возбуждения индуцированной примесной фотопроводимости, обеспечивает тепловое фоновое излучение ниже 10" фотон см^-с*1, а также программное управление спектральными характеристиками электронного излучения с эффективностью преобразования спектра электронного
излучения ускорителя электронов п спектр излучения за конструкционной защи той космического аппарата до 10% .
2. Нелинейная модель возбуждения индуцированной примесной фотопроводимости в Б1<В> с концентрацией бора не более 5• 101 см " и малой степенью компенсации, учитывающая захват и изменение
подвижности основных и неосновных носителей заряда и, в отличии от известных моделей, адекватно описывающая процесс возбуждения
индуцированной примесной фотопроводимости при высоком уровне
возбуждения.
3. Методика исследований и фнзико-маземагическая модель релаксации индуцированной примесной фотопроводимости в слабо компенсированном 8КВ>, которые учитывают процесс перезарядки примесей и дефектов и могут быть использованы для анализа изменений индуцированной примесной фотопроводимости, обусловленных образованием радиационных дефектов.
4. Новый способ определения параметров примесною полупроводника с малой степенью компенсации на основе измерения изотермической релаксации к равновесным условиям индуцированной прыжковой проводимости по состояниям вблизи уровня Ферми.
5. Метод суммы вариативных сверток, позволяющий определять долговременный нелинейный отклик пороговою напряжения МОП-транзистора на радиационное воздействие как решение самосогласованной задачи в виде суммы последовательно сдвинутых во времени вариативных сверток с кусочно-постоянными начальными условиями, и который учитывает технологию изготовления транзистора, параметры
радиационного воздействия и изменения электрического режима работы.
]]
6. Радиационная модель МОП-транзистора и алгоритм метода вариативных сверток, позволяющие идентифицировать параметры модели на основе экспериментальных данных, полученных для составляющих сдвига порогового напряжения, обусловленных соответственно объемным зарядом захваченных в подзатворном окисле дырок и зарядом поверхностных состояний па границе раздела окисел-кремний, в процессе ускоренных испытаний и последующего изотермического отжито с переключением электрического режима в процессе облучения и отжига.
Практическая значимость
1. Результаты радиационных исследований свойств монокристаллического примесного кремния с малой степенью компенсации, а также созданный комплекс радиационно-криогенной аппаратуры на базе транспортного гелиевого сосуда СТГ-40 для имитационных исследований индуцированной примесной проводимости в примесных полупроводниках использованы в разработках Ф1 "УГI "НПО ОРИОН".
2. Разработанный метод изотермической релаксации индуцированной прыжковой проводимости (Патент РФ КО 2025827) использован для определения радиационных изменений параметров легированного кремния с малой степенью компенсации в работах, проводимых для ФГУП "НПО ОРИОН".
3. Результаты исследований радиационной стойкости входных транзисторов КМОП интегральных схем с моделированием спектрально-угловых характеристик электронного излучения использованы в разработках космических аппаратов навигации связи и телевидения производства ФГУП НПО Прикладной механики им. акад. М.Ф. Решетнбва.
4. Разработанный метод суммы вариативных сверток адекватно описывает нелинейные эффекты радиационного отклика МОП транзисторов известных радиационно-стойких технологий и применим для прогнозирования поведения этих транзисторов в условиях переключения электрического
12
режима работы, а также для определения скорости их радиационной деградации в условиях космического пространства но результатам ускоренных радиационных испытаний.
Реализации результатов исследовании осуществлена при выполнении хоздоговорных работ с НПО "ОРИОН" (г.Москва) и НПО Прикладной механики им. акад. М.Ф. Решетнёва (г. Железногорск), а также при чтении курса лекций для студентов электро-физического факультета ТПУ по дисциплине "Моделирование процессов и систем".
Автор защищает:
1. Комплекс радиационно-криогенной аппаратуры для низкотемпературных радиационных исследований комбинированного действия световою и электронного излучений на примесную фотопроводимость в полупроводниках, которая реализует импульсный метод исследования кинетики возбуждения индуцированной примесной фотопроводимости, обеспечивает тепловое фоновое излучение ниже 1012 фотон см’2с 1 и возможность программного управления спектральными характеристиками электронного излучения.
2. Нелинейную модель возбуждения индуцированной примесной фотопроводимости в ЯКВ> с концентрацией бора не более 5-Ю1' см ' и малой степенью компенсации, учитывающую захват и изменение подвижности основных и неосновных носителей заряда и, в отличии от известных моделей, адекватно описывающую процесс возбуждения индуцированной примесной фотопроводимости при высоком уровне возбуждения.
3. Методику исследований и модель релаксации индуцированной примесной фотопроводимости в слабо компенсированном 8і<В>, учитывающую процесс перезарядки примесей и дефектов и, в отличие от известных моделей, пригодные дія анализа изменений индуцированной примесной фотопроводимости из-за образования радиационных дефектов.
13
4. Новый способ определения параметров примесного полупроводника с малой степенью компенсации на основе намерения изотермической релаксации к равновесным условиям индуцированной прыжковой проводимости по состояниям вблизи уровня Ферми.
5. Метод суммы вариативных сверток, позволяющий определять долговременный нелинейный отклик порогового напряжения МОП-транзистора на радиационное воздействие как решение самосогласованной задачи в виде суммы последовательно сдвинутых во времени вариативных сверток с кусочно-постоянными начальными условиями, и который учитывает технологию изготовления транзистора, параметры
радиационною воздействия и изменения электрического режима работы.
6. Радиационную модель МОП-транзистора и алгоритм метода вариативных сверток, позволяющие идентифицировать параметры модели на основе экспериментальных данных, полученных для составляющих сдвига порогового напряжения, обусловленных соответственно объемным зарядом захваченных в подзатворном окисле дырок п зарядом поверхностных состояний на границе раздела окисел-кремний, в процессе ускоренных испытаний и последующего изотермического отжига с переключением электрического режима в процессе облучения и отжига.
Апробация работы и публикации. Основные результаты, полученные автором, опубликованы в 53 печатных работах, включая 3 изобретения и патент. Материалы, изложенные в диссертации докладывались и обсуждались на следующих научных совещаниях и конференциях:
"1 Всесоюзная научно-техническая конференция Радиационная стойкость бортовой аппаратуры и элементов космических аппаратов" 25-27 июня 1991 г., Томск; Международная конференция “Проблемы взаимодействия ИСЗ с космической средой." 15-19 нюня 1992 г. Новосибирск; "8-я конференция по радиационной физике и химии неорганических материалов" - Томск, 1993; "30-е совещание по физике низких температур", 6-7 сентября 1994 г.,
! .Дубна (Московская обл.) ОИЯИ; "Взаимодействие космических аппаратов
14
с окружающей средой. Российская конференция", Иркутск, 1-3 ноября 1995г.; "Радиационные гетерогенные процессы: шестая международная
конференция" КГУ,г.Кемерово,1995 г.; IV Всероссийская конференция по модификации структуры материалов пучками заряженных частиц. 23-25 мая 1996 г. Томск, 1996; III Межотраслевая научно-техническая конференция "Влияние низкоиитснсивных излучений космического пространства и атомных электростанций на элементы и устройства радиоэлектроники и электротехники" (3-5 нюня 1997 года, НИИ приборов, г. Лыткарнно, Московская обл.); "III Российской конференции по физике полупроводников", Физический институт АН , г.Москва (декабрь 1997 г.); Всероссийская научно-техническая конференция по радиационной стойкости электронных систем "Стойкость-98" (2-4 нюня 1998 года, НИИ приборов, гЛыткарино, Московская обл.); "The 7"' European Conférence on Non-Destructive Testing, Copenhagen, 26-29 May 1998", Denmark, 1998; 10-я международной конференции по радиационной физике и химии неорганических материалов (РФХ-10). 21-25 сентября 1999 г.", г. Томск; «Г International Congress on Radiation Physics, High Current Electronics, and Modification of Materials. Proceedings. 11!h International Conférence on Radiation Physics and Chcmistry of Condensed Matter.», Tomsk, 2000; Всероссийская научно-техническая конференция no радиационной стойкости электронных систем "Стойкость-2000" ( июнь 2000 года, НИИ приборов, г.Лыткарино, Московская обл.).
Полнота публикаций но теме диссертации: По теме диссертации опубликовано 53 работы, в том числе 3 авторских свидетельства СССР и патент Российской федерации, которые достаточно полно раскрывают содержание выполненных исследований.
Личный вклад автора в получение научных результатов:
Представленная диссертационная работа является результатом многолетних экспериментальных и теоретических исследований, выполненных иод научным руководством и с непосредственным участием
15
автора. Все основные положения, выводы и результаты, полученные п работе, принадлежа! автору.
Структура и объем диссертации: Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и библиографического списка. Материал диссертации представлен на 248 страницах, содержит 92 иллюстрации и библиографию, включающую 173 наименования.
16
ГЛАВА 1. ДОЛГОВРЕМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРАХ, ИНИ1 ЩИРОВАШ 1Ы>- ИОНИЗИРУЮЩИМ ИЗЛУЧЕ1ШЕМ (ОБЩИЙ АНАЛИЗ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ).
1.1.Долговременные процессы радиационного отклика и проблема обеспечения надежности работы полупроводниковых приборов в полях ионизирующих излучений.
Ионизирующие излучения околоземного космического пространства (электроны и протоны естественных радиационных поясов Земли) существенным образом влияют на работу бортовой аппаратуры космических аппаратов, требуемый срок активного существования которых в настоящее время достигает I О-15 лет [3]. Обладая высокой проникающей способностью эти излучения проходят через конструкционную защиту космических аппаратов приводя к обратимым и необратимым изменениям электрических параметров полупроводниковых приборов бортовой аппаратуры. Экстраполяция результатов наземных ускоренных испытаний на натурные условия в космосе затруднена тем, что ионизирующие излучения, генерируя в полупроводником материале точечные радиационные дефекты и кластеры дефектов, способны также инициировать в полупроводниковых приборах долговременные процессы изменения параметров. "Эти долговременные изменения зависят от характеристик ионизирующего воздействия (вид излучения, плотность потока излучения, спектральный состав), от типа и технологии изготовления полупроводникового прибора, а также от электрического и теплового режимов его работы [11,12,13]. Трудности оценки надежности работы прибора в космическом пространстве по результатам ускоренных наземных испытаний обусловлены большими коэффициентами ускорения испытаний. В наземных испытания согласно действующим стандартам используются мощности дозы излучения порядка 100 рад'с в то время как в натурных условиях мощность дозы составляет 10 3 -=■ 10 рад/с. Поэтому механизмы отказов полупроводниковых приборов в натурных условиях и при наземных испытаниях могут быть различны (14).
17
Поскольку часто процессы долговременного отклика наблюдаются также после воздействия светом из полосы собственного возбуждения, то нередко эти явления рассматриваются как индуцированная фотопроводимость или долговременная релаксация фотопроводимости. В обзоре [15] отмечаются основные свойства долговременной релаксации (ДР) проводимости и остаточной проводимости (ОП):
• ДР проявляется в разнообразных полупроводниках (монокристаллы, поликристаллы, порошки и таблетки) , в аморфных полупроводниках, в органических красителях.
• 13 большинстве случаев ДР вызывается как собственным гак и примесным светом, причем при переходе через край собственного поглощения качественных изменений не наблюдается. Факторами вызывающими ДР являются также рентгеновское излучение и электронная бомбардировка.
• Мгновенное время релаксации активационным образом зависит от температуры
г » Го ехр(
к цТ
'Здесь т0 меняется в широких пределах от 10 ~ доЮ 1 с, а величина Ей,.,, имеет порядок десятых долей электрон вольта, но превосходит энергию активацию проводимости при низких температурах. В большинстве случаев т велико лишь при низких температурах, но иногда уже при комнатной температуре достигает 10? с.
• Величина Епгс в ходе релаксации возрастает, благодаря чему спад проводимости происходит по более медленному закону, чем экспоненциальный. Обычно за время эксперимента не удается проследить релаксацию проводимости до значений близких к начальному значению до воздействия светом (остаточная проводимость (011)). Кратность остаточной проводимости по отношению к начальной может доходить до значений порядка К)'. Амплитуда ОГ! при малой дозе облучения растет линейно, а при большой достигает насыщения.
18
• Явления ДР и ОП не связаны с прохождением измерительного тока через образец. 011 не исчезает при прерывании тока на некоторое время. Но при превышении напряжения на образце некоторого критического значения происходит гашение ОП.
• Рост проводимости происходит в основном за счет роста концентрации носителей заряда.
• Процесс ДР может быть резко ускорен внешними воздействиями: повышением температуры, приложением сильною электрического поля и ИК подсветкой ( соответственно температурное, полевое или ПК гашение ОП). После гашения ОП может быть восстановлена освещением образца.
• Установление ОП также требует большого времени, которое уменьшается сростом интенсивности подсветки.
• Зависимость стационарного значения фотопроводимости от интенсивности спета (люксамперная характеристика) при наличии ДР п большинстве случаев является сублинейной или имеет перегиб.
Как отмечено в (15) в полной мере отмеченные свойства относятся к долговременной проводимости, связанной с потенциальными барьерами в полупроводниках. 11аряду с этим ряд процессов долговременной релаксации может быть объяснен на основе классической теории фотопроводимости однородного полупроводника [16.17]. Кроме того, некоторые долговременные процессы связаны с ионизационными явлениями в пассивирующих или изолирующих слоях полупроводниковых приборов, а также в окружающей газовой среде под действием ионизирующего излучения, способного генерировать в этих слоях электронно-дырочные пары (18,19].
Примерами инициируемых ионизирующими излучениями долговременных процессов являются:
-изменения параметров полупроводниковых приборов из-за адсорбции ионов на поверхности полупроводниковых приборов (примеры -
19
непассивированныс лиолы и транзисторы; пол и кристаллические
фотоприемники на основе поликристаллических слоев сульфида свинца), -индуцированная долговременная примесная фотопроводимость в примесн ых фотонрнемн иках,
-изменение параметров МОП-транзисторов из-за захвата носителей заряда на глубокие ловушки в подзатворном окисле и образования поверхностных состояний у границы раздела окисел-полупроводник,
-изменения параметров приборов из-за разделения неравновесных носителей заряда рекомбинационными потенциальными барьерами различного происхождения.
Процессы, инициированные осаждением ионов из окружающей газовой атмосферы значимы в полупроводниковых приборах не имеющих специального пассивирующего окисла слоя на поверхности (непассивированные приборы). Наблюдаемые в них долговременные процессы изменения электрических характеристик обусловлены
образованием приповерхностных инверсных слоев (каналов) из-за заряжения поверхности нонами, генерированными за счет ионизации в газовой среде между полупроводниковой структурой и корпусом прибора [19|.
Образовавшиеся в процессе облучения ионы притягиваются к поверхности полупроводника электрическим полем, которое обусловлено подачей на прибор рабочего электрического смещения. Поверхность полупроводника заряжается в результате абсорбции ионов или в результате обмена зарядом между ионами и уже имеющимися на поверхности примесями.
Наблюдаемые изменения характеристик приборов носят обратимый характер. После окончания ионизирующего воздействия наблюдается медленная релаксация. Для быстрою возврата характеристик прибора в исходное состояние достаточно в процессе ионизирующего воздействия изменить полярность электрического смещения поданного на прибор.
Описанное явление можно проиллюстрировать на примере исследованных нами ранее [20-24] фоточувствительных слоен сульфида
2(1
свинца толщиной 1 мкм, которые были наготовлены путем напыления на стеклянную подложку с последующим прогревом в воздухе. На рис. 1.1 представлено относительное изменение темповой проводимости слоев сульфида свинца при осаждении на их поверхность положительных (кривая
1) и отрицательных (кривая 2) ионов из предварительно ионизованного а частицами потока окружающего воздуха. Изменение знака осаждаемых ионов производилось путем изменения полярности напряжения, подаваемого на образец. После прекращения в момент времени ионнтацим воздушного потока наблюдается процесс релаксации, характерная постоянная времени которою возрастает по мере увеличения начального отклонения от положения равновесия.
При осаждении ионов с большой плотностью потока наблюдается минимум темновой проводимости, что является характерным для поведения поверхностной проводимости при изменении поверхностного потенциала (рис. 1.2). Такое поведение согласуется с адсорбционными моделями фоточувствительности РЬБ-слоев, которые связываю! фоточувствительность с образованием приповерхностною изгиба энергетических зон и образованием инверсного р-слох в кристаллитах после заряжения медленных поверхностных состояний, при высокотемпературной обработке слоев РЬЯ в кислородосодержащей среде. В результате обмена зарядом с осаждаемыми положительными ионами первоначальный отрицательный поверхностный заряд уменьшается, что приводит к уменьшению а затем и к исчезновению приповерхностных инверсных р-капалов в кристаллитах. Дальнейшее увеличение проводимости в процессе осаждения положительных ионов обусловлено процессом образования приповерхностного слоя обогащенного основными носителями заряда. После изменения полярности питающего напряжения наблюдается обратный процесс, связанный с восстановлением исходного значения поверхностного потенциала. Характерно, что скорость изменений фотоэлектрических параметров в обратном направлении при осаждении отрицательных ионов н
21
Рис. 1.1 Относительное изменение темповой проводимости фоточувствительных слоев РЬ8 при осаждении на них электрическим нолем положительных (!) и отрицательных (2) ионов из окружающнго ионизованного воздуха.
1,гЫп X х
Рис. 1.2 Относительные изменения фототока (2) и темновой проводимости (1) фотослоев РЬ8 при осаждении на них положительных (область I) и отрицательных (область 11) ионов из окружающего воздуха.
22
электронов в несколько раз больше, чем скорость изменения параметров при осаждении положительных ионов. Максимальное изменение проводимости от равновесного до минимального значения уменьшается в каждом последующем цикле при непрерывном периодическом воздействии ионами разного знака (эффект памяти). После окончания воздействия медленными ионами происходит релаксация фототока и тем новой проводимости до нового квазиравновесного состояния, которое сдвинуто в сторону увеличения поверхностного потенциала. 11олнос восстановление параметров устанавливается через несколько суток. Дополнительные исследования показали, что изменение фотопроводимости, темновой проводимости и постоянной времени фотоотклика слабо зависят от типа ионов, хотя скорость релаксации значительно уменьшается в среде обедненной кислородом [22]. Использование защитных оптически прозрачных покрытий, препятствующих осаждению газовых ионов непосредственно на поверхность РЬХ-фотослоёв стабилизирует их работу н условиях ионизации окружающей газовой среды. Стабилизацию параметров можно получить также за счет специальных конструктивных решений изготовления фотоприемников [25}.
В условиях, когда исключается сбор номов поверхностью поликристаллнчсского слоя, изменения фотоэлектрических параметров под действием электронного излучения е энерг ией 6 МэВ, протонов с энергией 10 МэВ и а частиц необратимы и зависят от интегральной дозы облучения [24]. При малых лозах облучения (флюенс электронов (1-2)-10*' см'', флюсис а-частиц (4-6)1010 см'2, флюенс протонов (1-2)>10,|> см'2) наблюдается увеличение темновой проводимости на 20-30 %, после чего для протонов и а-частиц наблюдается монотонный спад. Для электронов последующего спада не наблюдается вплоть до флюенса 1015 см'2. Первоначальное увеличение проводимости можно рассматривать как заполнение связанных с кислородом глубоких ловушек на поверхности фотослоя (проявление эффекта малых доз [26]).
23
Процессы в МОП-прнборах. обусловленные ионизацией пассивирующего н нодзатворного окислов, характерны для приборов с зашитой их поверхности слоем окисла для устранения влияния адсорбции газовых ионов на зарядовое состояние поверхности и характеристики приборов. Генерация электроннодырочных пар непосредственно в объеме окисла приводит к захвату части дырок, избежавших рекомбинации, на ловушки вблизи границы раздела с полупроводником и к образованию дополнительных поверхностных состояний на границе раздела. Электрические поля захваченных на ловушки дырок н заряд в поверхностных состояниях в подзатворном окисле МОП-транзистора влияют на электрическое состояние полупроводникового прибора, изменяя его выходные параметры и приводя к параметрическим отказам в его работе. На рис. 1.3 схематично представлен сдвиг порогового напряжения Гх-канального М011-транзистора после короткого (длительностью порядка микросекунды) импульса электронного излучения линейного ускорителя электронов при энергии электронов в несколько мегаэлектронвольт и поглощенной в окисле дозе порядка 100 крал [27]. Видно, что после захвата дырок на ловушки, которое приводит к недопустимому отрицательному сдвигу порогового напряжения, происходит длительный процесс удаления захваченных дырок и компенсация зарядом в поверхностных состояниях, основное количество которых образуется спустя 10+10* секунд после окончания воздействия. В зависимости от соотношения скоростей удаления захваченных дырок и компенсации их поверхностными состояниями пороговое напряжение М011-транзистора может выйти за допустимые пределы или войдет в коридор допустимых значений. Из многочисленных исследований следует, что составляющая сдвига порогового напряжения обусловленная зарядом поверхностных
состояний и технологией изготовления прибора, существенным образом определяет характер радиационного отклика (рис. 1.4). При большой величине ДУ;, и высокой плотности потока ионизирующего излучения зависимость порогового напряжения от дозы облучения носит немонотонный
- Київ+380960830922