Литература / Шишкин Г. Г. , Шишкин А. Г. Электроника 2009

662 Раздел 6. ВОПРОСЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ

Сравнительный анализ радиационного изменения электрОфизических

параметров арсенида галлия и кремния показывает, что с точки зрения

влияния объемных эффектов смещения GaAs не имеет преимуществ пе­ ред Si в широком диапазоне концентрации легирующей примеси. Арсе­

нид галлия отличает от кремния существенно меньшее время жизни но­

сителей заряда, которое в значительной мере определяется процессами излучательной и Оже-ре1Сомбинации, особенно при повышенной кон­

центрации неравновесных носителей. В арсениде галлия указанные про­

цессы по сравнению с кремнием более вероятны. Наряду с объемными эффектами смещения, на характеристики GаАs-приборов могут сущест­

венно влиять изменение плотности поверхностных состояний и накопле­

ние заряда на границе раздела между областями прибора.

Рассмотрим остаточные эффекты в GаАs-приборах. В настоящее вре­ мя наибольшее применение в микросхемах на арсениде галлия находят диоды с барьером Шоттки (выпрямляющий контакт металл-полупро­ водник) и полевые транзисторы с длиной затвора от единиц до десятых долей мкм. Эти приборы используются в СВЧ-устройствах и сверхбыст­ родействующих логических элементах и ячейках памяти, являющихся

основой цифровых интегральных микросхем (ИМС).

Дноды с барьером Шопкн имеют высокую граничную частоту, малое

время переключения tпер и ВАХ, близкую к идеальной. Коэффициент неидеальности (см. гл. 2) для GаАs-диода равен т = 1,01 ... l,l, а для

кремниевого р-п-перехода т = 1,5. Предельно достигнутые значения

времени переключения tпер составляют единицы пс.

Детальное исследование радиационного изменения характеристик диодов Шоттки (ДШ) на основе контактов Au-n-GaAs и Al-n-GaAs при облучении быстрыми нейтронами (рис. 23.12) позволило выявить доми­ нирующие механизмы деградации этих приборов. ДШ были выполнены

на основе эпитаксиальной пленки n-GaAs с концентрацией легирующих

о 2 4

--- Jобр

Рис. 23.12

облучении потоком нейтронов Фн = 3 • 1015 нейтр/см2 базы диода (контакт никель-п-,-GаАs), легированной ионами бора (концентрация 1013 см-3),

увеличивается коэффициент неидеальности БАХ для прямого напряже•

ния Ипр= 0,2 ...0,3 Б ст= 1,01 (Фн =О) дот"" 4,25, а при Ипр> 0,6 Б­

до т"" 2. Столь сильное изменение т может быть обусловлено следующи·

ми физическими механизмами: туннелированием носителей через уров­ ни ловушек в запрещенной зоне полупроводника, изменением высоты по­

тенциального барьера, уменьшением концентрации свободных носите­ лей, процессами генерации-рекомбинации в обедненном слое перехода.

Перейдем к рассмотрению остаточных эффектов при ИИ полевых тран­ зисторов с коротким каналом, длина которого обычно 0,5 ... 2 мкм. Б этих

транзисторах реализуются высокие значения электрического поля в ак­

тивной области канала и наблюдается насыщение скорости дрейфа элект­

ронов под затвором транзистора. В результате начало и наклон пологого участка выходных БАХ при росте напряжения сток-исток определяют­ ся не только перекрытием канала, но и насыщением дрейфовой скорости.

На рис. 23.14 (взят Из [27]) показано влияние облучения полевых тран-

Иотс• отн. ед.

1,0

0,8

0,6

О,4'--~~~~~~~~'--~~~~~~~~~-э-

Рис. 23.14

664 Раздел 6. ВОПРОСЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ

зисторов нейтронами и протонами на изменение крутизны S (кривые 1 ),

максимального тока стока !смаке (кривые 2) и напряжения отсечки И0тс

(кривые 3). Как видно из рисунка, наиболее существенная деградация

характеристик полевых транзисторов наблюдается при протонном облу­

чении. Если в канале транзистора происходит насыщение скорости

дрейфа носителей vдР = vдр. нас• то влияние радиации на указанные пара­ метры заметно меньше, чем при vдР < vдр. нас• Это объясняется тем, что при vдР = vдр. нас скорость дрейфа определяется в первую очередь процес­ сами взаимодействия носителей с кристаллической решеткой :а в мень­ шей степени изменением концентрации, процессами рассеяния на объ­

емных дефектах смещения. К наиболее важным характеристикам ПТ

О'l'носятся коэффициенты усиления КУ и шума Кш. Повышенное иЗмене­

ние КУ и Кш при малых токах стока для напряжений затвора Из~ Иотс объясняется существенным уменьшением крутизны характеристики

прибора с ростом потока нейтронов.

Радиационная стойкость кремниевых интегральных схем. При анализе радиационной стойкости изделий электронной техники все эффекты разделяются на остаточные (долговременные), связанные со структур­ ными дефектами, и перемежающиеся, или переходные (кратковремен­

ные), обусловленные неравновесными носителями заряда. Остаточные эффекты возникают, как правило, при воздействии не­

прерывного ИИ и могут быть обусловлены сложными дефектами крис­ таллической решетки, вызванными смещением атомов, появлением объемных зарядов при переносе носителей, а также локализованными

неподвижными зарядами.

Переходные (кратковременные) эффекты существуют при воздейст­ вии импульсного ИИ и в течение относительно короткого времени пос­

ле его прекращения и сопровождаются возникновением переходных

процессов в схемах. Это проявляется в возникновении фототока, моду­

ляции проводимости в полупроводниках, появлении элементарных де­

фектов, увеличении токов утечки. Интенсивность переходных эффек­ тов может зависеть как от мощности дозы, так и от поглощенной дозы, а остаточные эффекты определяются в основном величиной поглощен­

ной дозы ИИ.

Как известно, интегральные схемы (ИС) делятся на два класса: циф­ ровые (логические, триггерные и т. д.) и аналоговые (многокаскадные усилители, стабилизаторы, преобразователи частоты и т. д.). В основе

цифровых схем лежат простейшие транзисторные ключи (см. гл. 9), а в основе аналоговых (гл. 8) - простейшие усилительные каскады. Ана­ логовые ИС более чувствительны к ИИ по сравнению с цифровыми, что

можно пояснить, используя передаточные характеристики (рис. 23.15).

В транзисторном·ключе, являющемся основой цифровых ИС, замкнутое состояние (точка В) характеризуется малым падением напр.яжени.я, ара-

666 Раздел 6. ВОПРОСЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ

плана. При этом физические эффекты, возникающие при облучении

полупроводниковых устройств, можно разделить на объемные и по­

верхностные.

До этого рассматривались объемные эффекты. Остановимся кратко на поверхностных и ионизационных эффектах. Поверхностные эффек­

ты изменяют величину поверхностного потенциала и увеличивают ско­

рость поверхностной рекомбинации. Появление же ионизационных то· ков связано с генерацией неравновесных электронно-дырочных пар.

При воздействии импульсов ИИ большой мощности указанные эффек­

ты могут вызвать закорачивание некоторых типов ИС, т. е. переход их

в режим работы, подобный режиму работы открытого динистора. Та­

кое явление часто называют эффектом •защелкивания•. В этом случае схема перестает функционировать до тех пор, пока не будет снято на­

пряжение питания. Обычным типом отказа ИС при «защелкивании~

являются короткие замыкания, вызывающие перегорание шины пита­

ния и выход схемы из строя. Режим «защелкивания~ чаще всего на­ блюдается в КМОП и ТТЛ ИС (см. гл. 8, 9) с изолирующимир-п-пере­ ходами; БИС КМОП (см. гл. 7-9) переходят в этот режим пр:й мень­ ших мощностях дозы, чем БИС ТТЛ.

В бортовой космической аппаратуре источниками ложных одно­

кратных срабатываний могут являться заряженные частицы высокой

энергии (чаще всего протоны), которые, проходя через некоторую об­

ласть микросхемы, формируют электрический сигнал, изменяющий

логическое состояние цифровой схемы.

Многие параметры биполярных ИС функционально зависимы от ко­ эффициента передачи тока транзисторов в схеме с ОЭ h21э, поэтому дег­ радация этого коэффициента определяет радиационную стойкость. Из­ менение напряжения насыщения Икэ нас транзисторов ИС при облуче­ нии также связано с изменениями других параметров. Таким образом, h21э и Икэнас являются теми пар~етрами, в которых интегрально про­ является воздействие ионизирующих излучений, поэтому радиацион­

ную стойкость биполярных ИС часто оценивают с помощью этих пара­

метров. Для оценки влияния облучения на МДП ИС используют велИ­

чины изменений пороговых напряжений Ипор' крутизны, коэффициента усиления, емкостей Сзи и Сзп> напряжения отсечки Иотс' максимального

тока стока и ряд других.

Радиационная стойкость любого типа ИС зависит от схемотех:ниче­

ских, конструктивных и технологических факторов.

Радиационная стойкость цифровых МДП-интегральных микросхем. Суммарная доза ионизирующего излучения более резко сказывается на МДП ИС, чем на биполярных. Она приводит к стабильному измене­ нию порогового напряжения затвора Ипор• Это связано главным образом с образованием поверхностных состояний на границе кремний-диэлект-

рик и накоплением положительных зарядов.в подзатворном оксидном

диэлектрике, захватываемых ловушками. Плотность поверхностных со­

стояний резко возрастает при уровне накопленной дозы выше 106 рад.

Все это изменяет крутизну МДП-транзисторов, сдвигает Ипор как n·,

так и р-канальных транзисторов, приводя в конечном счете к отказу

схемы. КМДП ИС на кремниевых монолитных подложках более чувст­ вительны к импульсному ионизирующему излучению, чем КМПД ИС на изолирующих подложках (примерно на два порядка). Это объясня­ ется тем, что в МДП ИС вероятность возникновения радиационных де­

фектов и образования пар носителей в подложке и р- п-переходах, ко­

торые имеют больший объем, заметно больше, чем в КМДП ИС.

В современных БИС и СБИС используют транзисторы с характерны­

ми размерами областей порядка мкм и менее. Исследования влияния

облучения на микросхемы показывают, что по мере уменьшения длины канала Lэфф МДП-транзисторов влияние у-излучения на изменение поро­

гового напряжения возрастает (рис. 23.16). В приборах с коротким кана­ лом наблюдается повышенная степень загрязнения окисла после прове­

дения сток-истоковой диффузии, что приводит к увеличенному числу

дефектов и поверхностных ловушек.

КМДП БИС, сформированные на изолирующей сапфировой подлож­

ке, обладают лучшими характеристиками по сравнению с микросхема­

ми на полупроводниковой подложке. Практическое применение таких ИС выявило ряд проблем, связанных с их радиационной стойкостью и не характерных для КМДП-схем на полупроводниковой подложке. Од­ ной из причин, снижающих радиационную стойкость таких ИС, я~ля­ ется образование положительного заряда в изолирующей сапфировой

подложке во время облучения, что вызывает инверсию проводимости эпитаксиального слоя кремния, в котором формируются области тран­

зисторной структуры. В результате токи утечки КМДП-структур на

сапфировой подложке при воздействии ионизирующего излучения вы­

ше, чем в схемах на полупроводниковой подложке. Накопление во время

облучения положительного заряда в окисле приводит к смещению Из пор в

сторону больших по модулю отрицательных значений дляр-канальных и

Рис. 23.16

заться другие элементы схемы, что может привести к потере как «НОЛЯ>>,

так и «единицы•.

Помимо перемежающихся (временных) отказов (сбоев) при больших дозах облучения в ИС возникают и необратимые повреждения. Необра­ тимые повреждения в МДП ИС, обусловленные как у-излучением, так и

действием токов быстрых частиц, имеют по сути дела одну и ту же при­ роду. Различие состоит в том, что у-излучение приводит к отказу практи­

чески всех активных элементов ИС, а быстрые частицы вызывают отка­

зы только отдельных приборов.

влияние радиации на кремниевые интегральные схемы на биполярных

транзисторах. Одной из основных отличительных черт активных эле­ ментов БИС, изготовленных по биполярной технологии, является .по­ вышенная стойкость их параметров к поглощаемой дозе ионизирующе­ го излучения по сравнению с МДП ИС (особенно ИС с диэлектричес­

кой изоляцией элементов). Уровень устойчивости таких биполярных

ИС к дозовым эффектам определяется параметрами окисла и границы

Si-Si02 • На рис. 23.19 дана изопланарная структура транзистора, яв­ ляющаяся одной из наиболее распространенных (на рис. 23.19: 1 - инду­

цированный канал между эмиттером и коллектором, 2 - канал между

скрытыми слоями). Захват дырок в окисле на границе Si-Si02 и генера­ ция поверхностных состояний при облучении приводит к образованию канала между скрытыми п+-слоями из-за инверсии слоя под дном ди­

электрической изоляции и канала между эмиттером и коллектором п­

р-n-транзистора (за счет инверсии области р-базы вдоль боковой стенки диэлектрической изоляции). Помимо этого, увеличиваются токи рекомби­ нации у боковой стенки диэлектрической изоляции в области р-базы. Это обусловлено возрастанием скорости поверхностной рекомбинации за счет образования быстрых поверхностных состояний на границе Si-Si02 • В ре­

зультате этих процессов изменяется коэффициент передачи тока.

Инверсия типа проводимости р-области базы в результате индуциро­ вания положительного заряда в слое окисла (см. рис. 23.19, область 2) и

изменение плотности поверхностных состояний вызывают рост токов

утечки между коллектором и эмиттером транзисторной структуры. Пре-

670 Раздел 6. ВОПРОСЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ

имущественное проявление влияния

канала между скрытыми областями

или канала между эмиттером и кол­

лектором n-р-п-транзистора МС за­

висит от концентраций примесей об­ ласти, предотвращающей образование

канала под дном изолирующего окисла

(р+-область), и области базы около бо­ ковой стенки. Чем выше уровень леги­

рования р+-области, тем меньше утечка

между скрытыми слоями.

тотока пропорционально площади перехода, поэтому основными источ­

никами являются изолирующие переходы большого размера. Эти па­ разитные токи обусловливают связь между различными элементами и

изменяют характеристики активных элементов микросхемы, что приво­

дит к изменению ее параметров. В частности, ионизационные токи изме­

няют (уменьшают) нормальный и инверсный коэффициенты передачи

тока aN и а1 транзистора~ а в режиме насыщения соответственно и напря-

жение Икэнас - Ивых• которое возрастает.

В качес'J.:ве примера такого влияния на рис. 23.20 показано измене­

ние передаточной характеристики ИС ДТЛ (диодно-транзисторная ло­

гика) под действием быстрых нейтронов с энергией Е > 2,9 МэВ.

Указанные изменения связаны с уменьшением коэффициента пере­

а

дачи тока в схеме с ОЭ h 213 = ~ = 1 _ а в зависимости от интенсивности

радиационного облучения (рис. 23.21).

Радиационная стойкость оптоэлектронных приборов. Проблема ра­

диационной стойкости достаточно остра для солнечных элементов, ис­ пользуемых на борту космических летательных аппаратов. Под влия­

нием облучения частицами высоких энергий мощность солнечных эле­

ментов понижается из-за образования дефектов в полупроводниках и изменения свойств других материалов, входящих в конструкцию данных приборов.

Продолжительность периода работоспособности бортовых солнечных батарей оценивается временем, в течение которого мощность солнечных батарей не выходит за пределы минимума, необходимого для фуцкци­ онирования основной аппаратуры летательного аппарата.

L,мкм

·~:~F15t 1 10

Возникновение дополнительных дефектов в полупроводнике под

воздействием ионизирующего облучения приводит к уменьшению вре­

мени жизни частиц 't и, соответственно, диффузионной длины L (по-

сколькуL = ~,см. п. 1.4) по закону

где 't0 , L 0 - соответственно время жизни и диффузионная длина до об­

лучения; К' - коэффициент пропорциональности; К= К'/Dдиф; DдиФ -

коэффициент диффузии: D - доза радиации; L = Ji5Т.: L 0 = JDдифо'tо.

Второе выражение (23.3) следует из первого, если считать, что коэффици­

ент диффузии не изменяется под действием радиации, т. е. DдиФ = Dдифо•

что на практике достаточно хорошо выполняется. На рис. 23.22 приве­ дены зависимости диффузионной длины L от дозы облучения электрона­ ми De с энергией 1 МэВ для кремниевого солнечного элемента с р-базой

(кривая 1) и п-базой (кривая 2). Из рисунка видно, что радиационная

стойкость элементов с р-базой существенно выше, чем элементов с п-ба­ зой, что объясняется разной· подвижностью и, соответственно, различ­

ными временами жизни электронов и дырок, а это, в свою очередь, оп­

ределяет и диффузионную длину. Для повышения радиационной стой­

кости кремниевых солнечных элементов в них вводят литий, который

нейтрализует дефекты и способствует стабилизации времени жизни при воздействии ИИ. Для защиты от ИИ перед лицевой поверхностью

элемента делается тонкое прозрачное защитное покрытие, содержа­

щее, например, церий. Для солнечных батарей предельные значения

Фн = 1011 ".1013 см-2 , D1 =103 ••• 104 Гр.