III-ой региональный семинар «Компьютерное моделирование и проектирование микро- и наноэлектроники и микроэлектромеханических систем», 9 апреля 2011 Матюхин. - презентация

1 III-ой региональный семинар «Компьютерное моделирование и проектирование микро- и наноэлектроники и микроэлектромеханических систем», 9 апреля 2011 Матюхин С.И., Писарев А.А., Ставцев А.В. ВЛИЯНИЕ МИКРОТРЕЩИН НА КОММУТАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ КРЕМНИЕВЫХ ДИОДОВ

2 III-ой региональный семинар «Компьютерное моделирование и проектирование микро- и наноэлектроники и микроэлектромеханических систем», 9 апреля 2011 Актуальность работы: к важным задачам современной физики полупроводниковых приборов следует отнести задачу о качественном и количественном влиянии микродефектов на характеристики приборов и разработку методов прогнозирования надежности этих приборов с целью выявления потенциально ненадежных изделий на ранней стадии изготовления. Цель: изучение качественного и количественного влияния микротрещин на характеристики полупроводниковых приборов.

3 III-ой региональный семинар «Компьютерное моделирование и проектирование микро- и наноэлектроники и микроэлектромеханических систем», 9 апреля 2011 Метод: моделирование динамических процессов включения и выключения с использованием пакета программ приборно-технологического моделирования Sentaurus TCAD компании Synopsys. Моделирование влияния микротрещин на коммутационные характеристики диода Д проводилось для двух типов трещин – перпендикулярных и параллельных p-n-переходу, при температуре полупроводниковой структуры – T j = 300 К ; T j = 443 К.

4 III-ой региональный семинар «Компьютерное моделирование и проектирование микро- и наноэлектроники и микроэлектромеханических систем», 9 апреля 2011 Рис. 1 Структура пластины, содержащей микротрещины, пересекающие p-n-переход: а) перпендикулярные; б) параллельные.

5 III-ой региональный семинар «Компьютерное моделирование и проектирование микро- и наноэлектроники и микроэлектромеханических систем», 9 апреля 2011 Рис. 2 Структура пластины, содержащей микротрещины, примыкающие к p-n-переходу: а) перпендикулярные; б) параллельные.

6 III-ой региональный семинар «Компьютерное моделирование и проектирование микро- и наноэлектроники и микроэлектромеханических систем», 9 апреля 2011 Рис. 3 Структура пластины, содержащей микротрещины, находящиеся вдали от p-n- перехода: а) перпендикулярные; б) параллельные.

7 III-ой региональный семинар «Компьютерное моделирование и проектирование микро- и наноэлектроники и микроэлектромеханических систем», 9 апреля 2011 Рис. 4 Прямые ветви ВАХ диода Д при Т=300 К: 1 – в отсутствие микротрещин; 2 – при наличии перпендикулярных трещин, пересекающих p-n-переход; 3 – при наличии параллельных трещин, пересекающих p-n- переход; 4 – при наличии перпендикулярных трещин, примыкающих к p-n-переходу; 5 – при наличии параллельных трещин, примыкающих к p-n- переходу; 6 – при наличии перпендикулярных трещин вдали от p-n-перехода; 7 – при наличии параллельных трещин вдали от p-n-перехода.

8 III-ой региональный семинар «Компьютерное моделирование и проектирование микро- и наноэлектроники и микроэлектромеханических систем», 9 апреля 2011 Рис. 5 Прямые ветви ВАХ диода Д при Т=400 К: 1 – в отсутствие микротрещин; 2 – при наличии перпендикулярных трещин, пересекающих p-n-переход; 3 – при наличии параллельных трещин, пересекающих p-n- переход; 4 – при наличии перпендикулярных трещин, примыкающих к p-n-переходу; 5 – при наличии параллельных трещин, примыкающих к p-n- переходу; 6 – при наличии перпендикулярных трещин вдали от p-n-перехода; 7 – при наличии параллельных трещин вдали от p-n-перехода.

9 III-ой региональный семинар «Компьютерное моделирование и проектирование микро- и наноэлектроники и микроэлектромеханических систем», 9 апреля 2011 Рис. 6 Обратные ветви ВАХ диода Д при Т=300 К: 1 – в отсутствие микротрещин; 2 – при наличии перпендикулярных трещин, пересекающих p-n-переход; 3 – при наличии параллельных трещин, пересекающих p-n- переход; 4 – при наличии перпендикулярных трещин, примыкающих к p-n-переходу; 5 – при наличии параллельных трещин, примыкающих к p-n- переходу; 6 – при наличии перпендикулярных трещин вдали от p-n-перехода; 7 – при наличии параллельных трещин вдали от p-n-перехода.

10 III-ой региональный семинар «Компьютерное моделирование и проектирование микро- и наноэлектроники и микроэлектромеханических систем», 9 апреля 2011 Рис. 7 Обратные ветви ВАХ диода Д при Т=400 К: 1 – в отсутствие микротрещин; 2 – при наличии перпендикулярных трещин, пересекающих p-n-переход; 3 – при наличии параллельных трещин, пересекающих p-n- переход; 4 – при наличии перпендикулярных трещин, примыкающих к p-n-переходу; 5 – при наличии параллельных трещин, примыкающих к p-n- переходу; 6 – при наличии перпендикулярных трещин вдали от p-n-перехода; 7 – при наличии параллельных трещин вдали от p-n-перехода.

11 III-ой региональный семинар «Компьютерное моделирование и проектирование микро- и наноэлектроники и микроэлектромеханических систем», 9 апреля 2011 Рис. 8 Импульс тока, протекающего под действием прямоугольного импульса напряжения (пунктир), приложенного к полупроводниковой структуре диода Д , не содержащего микротрещин, при температуре структуры T j = 27 0 C

12 III-ой региональный семинар «Компьютерное моделирование и проектирование микро- и наноэлектроники и микроэлектромеханических систем», 9 апреля 2011 Рис. 9 Амплитуда прямого тока, протекающего под действием прямоугольного импульса напряжения, приложенного к полупроводниковой структуре диода Д , при температуре структуры T j = 27 0 C: 1- не содержащего микротрещин; 2- содержащего перпендикулярные p-n- переходу микротрещины; 3- содержащего параллельные p-n- переходу микротрещины.

13 III-ой региональный семинар «Компьютерное моделирование и проектирование микро- и наноэлектроники и микроэлектромеханических систем», 9 апреля 2011 Рис. 10 Полупроводниковая пластина не содержит микротрещин. Импульсы обратного тока, протекающего через диод Д при переключении прибора из проводящего состояния в непроводящее, при различных значениях амплитуды импульсов обратного напряжения: 1- при U= -2 В; 2- при U= -4 В; 3- при U= -6 В; 4- при U= -8 В. T j = 27 0 C.

14 III-ой региональный семинар «Компьютерное моделирование и проектирование микро- и наноэлектроники и микроэлектромеханических систем», 9 апреля 2011 Рис. 11 Полупроводниковая пластина содержит микротрещины перпендикулярные p-n- переходу. Импульсы обратного тока, протекающего через диод Д при переключении прибора из проводящего состояния в непроводящее, при различных значениях амплитуды импульсов обратного напряжения: 1- при U= -2 В; 2- при U= -4 В; 3- при U= -6 В; 4- при U= -8 В. T j = 27 0 C.

15 III-ой региональный семинар «Компьютерное моделирование и проектирование микро- и наноэлектроники и микроэлектромеханических систем», 9 апреля 2011 Рис. 12 Полупроводниковая пластина содержит микротрещины параллельные p-n- переходу. Импульсы обратного тока, протекающего через диод Д при переключении прибора из проводящего состояния в непроводящее, при различных значениях амплитуды импульсов обратного напряжения: 1- при U= -2 В; 2- при U= -4 В; 3- при U= -6 В; 4- при U= -8 В. T j = 27 0 C.

16 III-ой региональный семинар «Компьютерное моделирование и проектирование микро- и наноэлектроники и микроэлектромеханических систем», 9 апреля 2011 Рис. 13 Обратный ток восстановления диода Д , при температуре T j = 27 0 C: 1- не содержащего микротрещин; 2- содержащего перпендикулярные p-n- переходу микротрещины; 3- содержащего параллельные p-n- переходу микротрещины.

17 III-ой региональный семинар «Компьютерное моделирование и проектирование микро- и наноэлектроники и микроэлектромеханических систем», 9 апреля 2011 Рис. 14 Заряд обратного восстановления диода Д , при температуре T j = 27 0 C: 1- не содержащего микротрещин; 2- содержащего перпендикулярные p-n- переходу микротрещины; 3- содержащего параллельные p-n- переходу микротрещины.

18 III-ой региональный семинар «Компьютерное моделирование и проектирование микро- и наноэлектроники и микроэлектромеханических систем», 9 апреля 2011 Рис. 15 Время восстановления диода Д , при температуре T j = 27 0 C: 1- не содержащего микротрещин; 2- содержащего перпендикулярные p-n- переходу микротрещины; 3- содержащего параллельные p-n- переходу микротрещины.

19 III-ой региональный семинар «Компьютерное моделирование и проектирование микро- и наноэлектроники и микроэлектромеханических систем», 9 апреля 2011 Рис. 16 S-фактор диода Д , при температуре T j = 27 0 C: 1- не содержащего микротрещин; 2- содержащего перпендикулярные p-n- переходу микротрещины; 3- содержащего параллельные p-n- переходу микротрещины.

20 III-ой региональный семинар «Компьютерное моделирование и проектирование микро- и наноэлектроники и микроэлектромеханических систем», 9 апреля 2011 Рис. 17 Время нарастания обратного тока диода Д , при температуре T j = 27 0 C: 1- не содержащего микротрещин; 2- содержащего перпендикулярные p-n- переходу микротрещины; 3- содержащего параллельные p-n- переходу микротрещины.

21 III-ой региональный семинар «Компьютерное моделирование и проектирование микро- и наноэлектроники и микроэлектромеханических систем», 9 апреля 2011 Рис. 18 Время спада обратного тока диода Д , при температуре T j = 27 0 C: 1- не содержащего микротрещин; 2- содержащего перпендикулярные p-n- переходу микротрещины; 3- содержащего параллельные p-n- переходу микротрещины.

22 III-ой региональный семинар «Компьютерное моделирование и проектирование микро- и наноэлектроники и микроэлектромеханических систем», 9 апреля 2011

23 Результаты: Появление микротрещин в полупроводниковой структуре диодов приводит: - к уменьшению амплитуды прямого тока I TM, протекающего под воздействием импульсов прямого напряжения; - к уменьшению амплитуды обратного тока восстановления I rr, протекающего при переключении диода из проводящего состояния в непроводящее. Увеличение температуры полупроводниковой структуры T j при увеличении скорости спада прямого тока di/dt приводит к улучшению динамических характеристик прибора. Влияние микротрещин на коммутационные характеристики полупроводниковых диодов зависит от вида микротрещин