Нестационарная спектроскопия глубоких уровней в кремниевых диодах с p + -n переходом, облученных высокоэнергетическими тяжелыми ионами криптона Нгуен Тхи Тхань Бинь Руководитель доцент, к.ф.-м.н. доцент, к.ф.-м.н. Н.И. Горбачук

Содержание Актуальность проблемы исследования Актуальность проблемы исследования Актуальность проблемы исследования Актуальность проблемы исследования Цель работы Цель работы Цель работы Цель работы Методика исследования Методика исследования Методика исследования Методика исследования Результаты и их обсуждения Результаты и их обсуждения Результаты и их обсуждения Результаты и их обсуждения Вывод Вывод Вывод

Актуальность проблемы исследования Изучение радиационных дефектов (РД), возникающих в кремнии и структурах на его основе при облучении тяжелыми ионами с высокой энергией является актуальным, как для развития фундаментальных аспектов физики полупроводников, так и для создания новых технологий радиационно-термической оптимизации параметров полупроводниковых приборов, например, силовых быстродействующих диодов и транзисторов. Изучение радиационных дефектов (РД), возникающих в кремнии и структурах на его основе при облучении тяжелыми ионами с высокой энергией является актуальным, как для развития фундаментальных аспектов физики полупроводников, так и для создания новых технологий радиационно-термической оптимизации параметров полупроводниковых приборов, например, силовых быстродействующих диодов и транзисторов. Облучение высокоэнергетическими тяжелыми ионами позволяет добиться такого же быстродействия диодов, как и облучение электронами, но при меньшем увеличении сопротивления базы, а значит и прямого падения напряжения. Это открывает возможность использования облучения тяжелых ионов в технологии изготовления электронных полупроводниковых приборов. Облучение высокоэнергетическими тяжелыми ионами позволяет добиться такого же быстродействия диодов, как и облучение электронами, но при меньшем увеличении сопротивления базы, а значит и прямого падения напряжения. Это открывает возможность использования облучения тяжелых ионов в технологии изготовления электронных полупроводниковых приборов.

Цель работы Методом DLTS (deep level transient spectroscopy) установить особенности дефектно-примесного состава диодов, облученных высокоэнергетическими тяжелыми ионами криптона. Методом DLTS (deep level transient spectroscopy) установить особенности дефектно-примесного состава диодов, облученных высокоэнергетическими тяжелыми ионами криптона.

Методика исследования Диоды изготавливались на однородно легированном фосфором кремнии, выращенном методом бестигельной зонной плавки с удельным сопротивлением 90 Ом.см. Область p + -типа создавалась ионной имплантацией бора с энергией 60 кэВ и дозой 5, см -2 с последующим отжигом дефектов и разгонкой примеси в окислительной атмосфере. Диоды облучались криптонами 250 МэВ с флюенсом 10 8 см -2. Рис.1. Схематическое представление исследуемых диодов Образец Толщина алюминиевых контактов к p + - области диодов, m Глубина залегания p + n-перехода x j, m Расстояние между максимумом распределения первичных дефектов и p + n-переходом, m Площадь p + n- перехода, mm 2 I11,53,526,44,41 A44,51214,59,43

Методика исследования Спектры DLTS регистрировались на частоте 1МГц с помощью спектрометра СЕ-6 (НПООО ОМНИТЕЛ, г. Минск РБ). Напряжение эмиссии Ue и заполнения ловушек Up варьировалось от –2 В до –18 В и 0 В до -12 В, соответственно. Вольт-фарадные характеристики регистрировались при напряжениях обратного смешения 0-19 В, с шагом 0,1 мВ. На основании вольт-фарадных характеристик по стандартной методики рассчитывались профили распределения разности концентраций доноров и акцепторов по глубине диода. Спектры DLTS регистрировались на частоте 1МГц с помощью спектрометра СЕ-6 (НПООО ОМНИТЕЛ, г. Минск РБ). Напряжение эмиссии Ue и заполнения ловушек Up варьировалось от –2 В до –18 В и 0 В до -12 В, соответственно. Вольт-фарадные характеристики регистрировались при напряжениях обратного смешения 0-19 В, с шагом 0,1 мВ. На основании вольт-фарадных характеристик по стандартной методики рассчитывались профили распределения разности концентраций доноров и акцепторов по глубине диода. Рис. 2. Экспериментальная установка

Результаты и их обсуждения Исследованы DLTS исходных диодов (до и после отжига) Исследованы DLTS исходных диодов (до и после отжига) Изучены DLTS облученных диодов Изучены DLTS облученных диодов Исследованы профили РД по глубине диодов Исследованы профили РД по глубине диодов Составлена таблица классификации РД Составлена таблица классификации РД

Рисунок 3. DLTS-Сигналы исходного диода I1 ( =26,4 mm) (до облучения ионами криптона) При U p =0V, U e =10V, t p =5ms, t e =15ms t 1 =7,5ms, t 2 =15ms

Рисунок 4. Обзорный DLTS-спектр 1-обзорный DLTS-спектр диода I1 ( = 26,4 m) полученный при U p = 0V, U e =16V, t p =5 ms, t e =10 ms, t 1 =1,2ms, t 2 =2,5ms. 2-обзорный DLTS-спектр диода A4 ( = 14,5 m) полученный при выборе входных параметров U p = 0V, U e = 2V t p = 5ms, t e = 10ms, t 1 = 1,2 ms, t 2 =2,5ms. 3- DLTS-спектр исходных диодов типа I1

Таблица: Параметры дефектов и их вероятная идентификация ПикДефект Зарядовое состояние Энергетический уровень, эВ Энергетический уровень, согласно Е1O-V(-/0) E C – 0,20±0,01 [1] E2E2E2E2 V-VV-VV-VV-V(=/-) E C – 0,25±0,01 [1] E3E3E3E3 V-VV-VV-VV-V(-/0) E C – 0,40±0,01 (A4-δ=14,5 m) [1] E C – 0,35±0,02 (I1-δ=26,4 m) E4E4E4E4 Многовакансионный комплекс (?) E C – 0,50±0,01 (A4-δ=14,5 m) [1] E C – 0,51±0,01 (I1-δ=26,4 m) [1]-V. Eremin. Effect of radiation induced deep level traps on Si detector performance/ Eremin, E Verbitskaya, Z. Li// NIM A. – – V – P

Рисунок 5. Профили распределения логарифма разности концентрации ионизированных доноров и акцепторов N= N D -N A при разных температурах I1I1I1I1 A К, 2-150К, 3-130К, 4-100К, 5-81,4К 1-260К, 2-150К, 3-140К, 4- 81,4

Рисунок 6. DLTS-Сигналы E1(A-центр) и E2(VV =/- ) (a) и их амплитуда (б) в зависимости от значения напряжения эмиссии U e (I1 ( =26,4 m)) U p = 0V, t p = 5ms,t e =15ms, t 1 =5ms, t 2 =10ms при изменении U e аб

Рисунок 7. DLTS-Cигналы E3 и E4 I1 ( =26,4 m) U p =0V,t p =5ms,t e =15ms, t 1 =5ms,t 2 =10ms при изменении U e U e =16V,t p =5ms,t e =15ms, t 1 =5ms,t 2 =10ms при изменении U p

Рисунок 8. DLTS-Cигналы E3 и E4 A4 ( =14,5 m) Up = 0 V, tp = 5 ms, te = 15 ms, t1 = 5 ms, t2 = 10 ms при изменении Ue Сканирование равной глубины в базе диода tp = 5 ms, te = 15 ms,t1 = 5 ms, t2 = 10 ms варьированием Up и Ue Up = 0 V, tp = 5 ms, te = 15 ms, t1 = 5 ms, t2 = 10 ms при изменении Ue

Вывод DLTS-методом исследованы облученные ионами криптона 250МэВ с флюенсом 10 8 см -2 кремниевые диоды с p + n-переходом, установлено, на вид спектров DLTS диодов оказывает существенное влияние неравномерность распределения по глубине радиационных дефектов; на вид спектров DLTS диодов оказывает существенное влияние неравномерность распределения по глубине радиационных дефектов; варьирование напряжения эмиссии в ходе эксперимента позволяет разделить вклады в спектр от различных РД варьирование напряжения эмиссии в ходе эксперимента позволяет разделить вклады в спектр от различных РД основными радиационными дефектами, вводимыми при облучении являются A-центры и дивакансии; основными радиационными дефектами, вводимыми при облучении являются A-центры и дивакансии; изолированные A-центры и дивакансии вводятся как правило в начале проекционного пробега ионов, в конце проекционного пробега они образуют скопления; изолированные A-центры и дивакансии вводятся как правило в начале проекционного пробега ионов, в конце проекционного пробега они образуют скопления; помимо А-центров и дивакансий при облучении формируются многовакансионные комплексы, глубина залегания энергетического уровня которых составляет E t E C эВ, а сечение захвата электронов σ n см 2. помимо А-центров и дивакансий при облучении формируются многовакансионные комплексы, глубина залегания энергетического уровня которых составляет E t E C эВ, а сечение захвата электронов σ n см 2.