Автоматика.
    Автоматизация.
        Электротехнические
            комплексы и системы.

УДК 621.9.01

Релаксация  обратного  тока  диодов  Шоттки
после их магнитно-импульсной  обработки  (МИО)

Богданов А.В.,  Бень А.П., Хойна С.И.

Постановка проблемы. Данная статья посвящена изучению влияния магнитно-импульсной обработки (МИО) на характеристики полупроводниковых приборов с целью возможности разработки новых методик  диагностики надёжности их работы. 

Для объяснения долговременных релаксаций проводимости (в течение нескольких суток и более) в широкозонных полупроводниках с шириной запрещённой зоны более 3 эВ, на глубоких примесных уровнях был предложен и обоснован механизм донорно-акцепторной рекомбинации (ДАР) носителей заряда [1-3].  В узкозонных полупроводниках релаксация  проводимости за счёт рекомбинации носителей заряда на мелких примесных уровнях длится в течение долей секунд. Накопление неравновесных носителей заряда на донорно-акцепторных парах (ДАП), может происходить в результате  инжекции носителей заряда, под  воздействием электромагнитного излучения или при  МИО. Неравновесный заряд приводит к обратимым изменениям электропроводности, его величина определяет стабильность работы  полупроводниковых приборов и  влияет как на обратное напряжение, так и на частотные    характеристики  выпрямляющих переходов.  

В полупроводниковых приборах на основе  S_i  роль  широкозонного полупроводника, при обратном смещении на выпрямляющем переходе, выполняет тонкая диэлектрическая изолирующая плёнка  (например, S_iO₂). Накопление неравновесных  ДАП  происходит по обе стороны этой плёнки на т.н. поверхностных уровнях. Среднее расстояние между атомами в ДАП определяется концентрацией поверхностных уровней, определяемой качеством диэлектрической плёнки  и её  толщиной,  т.е.чисто технологией изготовления приборов. Создание неравновесного заряда при инжекции носителей заряда  (при обратном смещении на выпрямляющем переходе) затруднено выбором толщины диэлектрической плёнки. Толщина диэлектрической плёнки должна быть достаточно тонкой, чтобы между атомами  в  ДАП  было малое  геометрическое  расстояние  R,  достаточное для  эффективной  ДАР  носителей заряда. С другой стороны,   расстояние  R  должно быть  достаточно большим, чтобы не происходило  пробоя  диэлектрической плёнки при больших уровнях инжекции носителей заряда, создающих неравновесный пространственный заряд. Недостатком создания неравновесного заряда с помощью  электромагнитного излучения  является его недостаточная избирательность. В этом плане исследование  неравновесного заряда,  созданного с помощью МИО полупроводниковых приборов, перспективно для разработки   эффективных  методов  диагностики  надёжности их работы. 

Анализ  последних  исследований  и  публикаций.  В общем  виде  вольтамперная  характеристика  (ВАХ)  диода  Шоттки имеет вид:

,                                     (1)

где:  А - постоянная Ричардсона;  с = 1 ÷ 2 - некоторая постоянная;  - высота потенциального барьера  контакта металл - полупроводник. Величина  для каждого прибора строго индивидуальна и зависит от технологии его изготовления. Рост тока в прямом направлении начинается при напряжении порядка  , когда  потенциальный барьер спрямляется,  и носители заряда могут его преодолеть.

Величина обратного тока, а точнее его нестабильность, в значительной степени  определяется неравновесным зарядом, находящимся в изолирующей плёнке. При долговременных релаксациях обратного тока наиболее вероятен механизм  ДАР носителей заряда.  Зависимость проводимости   при  ДАР носителей заряда  от времени (t)  описывается формулой  [1,2]:

 ,                                            (2)

где: N_a , N_d  - концентрации донорной и акцепторной примесей, соответственно; Е_а - энергия активации более мелкой  акцепторной примеси; с = N_od / N_d  - отношение  концентрации заполненных неравновесными электронами доноров  к  общей их  концентрации. В равновесном случае  N_od = 0,  выражение (5) переходит в известное  выражение для электропроводности  компенсированных  полупроводников  [3].

Коэффициент ДАР носителей заряда  W_f    равен:

,                                                          (3)

где: W_fo – некоторая постоянная,    a_DA – порядка постоянной решётки.

Коэффициент ДАР носителей заряда  W_f    экспоненциально зависит от расстояния между атомами в ДАП R, определяемом толщиной диэлектрической плёнки. Эффективная  ДАР носителей заряда, например в синтетическом полупроводниковом алмазе, наступает при концентрации примеси 10¹⁸ см^-3, соответствующей примерному расстоянию между  атомами в ДАП  10 нм, что намного больше его постоянной решетки (0,36 эВ). Т.к. постоянная решётки диэлектрической  плёнки больше, чем постоянная решётки алмаза, то и эффективную ДАР носителей заряда  в ней  следует ожидать при её толщине в несколько десятков нанометров.  

Авторами  исследовался методом термостимулированной проводимости (ТСП) неравновесный пространственный заряд  при его инжекции в сильных электрических полях в  тонкие диэлектрические плёнки из различных материалов  толщиной  несколько десятков нанометров нанесённые на пластину кремния. Вольтамперные характеристики таких структур имели характерный для инжекционных токов участок квадратичной зависимости тока от напряжения. Как и в синтетических полупроводниковых алмазах, максимумы ТСП высвечивались при температуре 300-500^оС. Зависимость максимумов величины токов, измеренных при различных  скоростях нагрева, от обратной температуры, подчинялось выведенным авторами формулам для ТСП, обусловленной ДАР носителей заряда [1,2].

Аналитическое описание  долговременных релаксаций обратного тока диодов  с помощью механизма ДАР носителей заряда  на  тонких диэлектрических плёнках в настоящее время изучено недостаточно. Из анализа литературных данных следует, что с одной стороны стабильность работы полупроводниковых приборов в значительной степени определяется неравновесными ДАП, образуемыми на изолирующих плёнках, а с другой - наиболее эффективным механизмом создания неравновесного заряда является  МИО приборов.

Целью  настоящей работы является исследование временной релаксации неравновесного пространственного заряда на изолирующих плёнках диодов Шоттки, после их МИО, обусловленной  ДАР носителей заряда.

Результаты исследований. Для экспериментальных исследований выбирались диоды Шоттки типа  2Д922А, изготовленные на  заводе  ДП  "Дніпро-напівпровідники" ВАТ  "Компанія "Дніпро"". Установка для  МИО диодов, созданная  в Херсонском   Государственном  морском  институте, позволяла создавать импульсы магнитного поля от 0,1 ÷ 2,0 с  различной скважности и мощности импульсов. Специально изготовленная на заводе измерительная установка  позволяла измерять величины  прямых и обратных токов диодов Шоттки при фиксированных напряжениях. Схема позволяла предотвращать пробой диодов при резком возрастании как прямого, так и обратного токов.

Результаты измерений параметров диодов усреднялись по партиям образцов, состоящих из 5 штук. При МИО диодов, прошедших отбраковку  по обратному току  меньше  10 мкА  при напряжении 10 В,  величина обратных токов  при заданном напряжении изменялась несущественно. Обработка  партий диодов, имеющих повышенные значения обратных токов, приводила, как правило, к увеличению уровня обратных токов примерно в три раза.  В течение примерно одних суток значения обратных токов возвращалось к первоначальным значениям (рис.1).

        I_обр, мкА   

 30      

       *

          *

 20

                *

 10                        *                      

                                           *                 *

    0                                                          t, час

              4        8      12      16     20      24

Рис.1 Релаксация обратного тока диода при  напряжении 9 В

На  величину  прямого тока при заданном прямом напряжении (0,5 В) практически не влияла  МИО, причем значение тока  оставалось строго постоянным. Между образцами разброс тока был незначительным  (0,33 ÷ 0,36) мА. Это свидетельствует о том, что МИО диодов  не влияет на высоту потенциального барьера  , а значит, не смещает ионы примесных атомов и не изменяет их пространственное распределение, как это, по-видимому, происходит при магнитном упрочении металлов [4,5].

Все изменения проводимости диодов были обратимыми.

Выводы.

1. Измерение  уровня накопления неравновесного заряда в изолирующих  плёнках полупроводниковых приборов при их МИО  является универсальным неразрушающим методом контроля  качества и надёжности работы  практически для  всех полупроводниковых приборов, включая микросхемы.

2. Заполнение неравновесными носителями заряда  ДАП и их рекомбинация может приводить к обратной положительной связи по току или  напряжению и к образованию отрицательного сопротивления  N - типа или  S - типа, возникновению своеобразных низкочастотных шумов. 

ЛИТЕРАТУРА

1.                  Преснов В.А., Богданов А.В., Клаузов А.Ф. Термостимулированная проводимость синтетических полупроводниковых алмазов, легированных в процессе синтеза бором. Изв. вузов  СССР. Сер. Физика.-  1978. - № 9. - с.130-132.

2.                  Богданов А.В., Викулин И.М. Приборы  на  основе  полупроводниковых  алмазов. Обзоры  по  электронной  технике  Серия 2.Полупроводниковые  приборы. ,  Выпуск 3 (1274).- Москва: Изд-во ЦНИИ  «Электроника», 1987. -  56 с. 

3.                  Бонч-Бруевич В.Л., Калашников С.Г.Физика полупроводников.– М.: Наука, 1977.- 672 с.

4.                  Малыгин Б.В., Бень А.П. Магнитное упрочение изделий (теория и практика).- Херсон: Издательство Херсонского государственного морского института, 2009.- 352 с.

5.                  Богданов А.В., Малыгин  Б.В. Электропроводность твёрдых тел по донорно-акцепторным парам.- Вестник ХГТУ. - 2010. - № 1.