МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2012, том 41, № 6, с. 445-449
= МОДЕЛИРОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ =
УДК 621.382
ЭКСТРАКЦИЯ ПОДСТРОЕЧНЫХ ПАРАМЕТРОВ КОНВЕРСИОННОЙ МОДЕЛИ ЭФФЕКТА НИЗКОЙ ИНТЕНСИВНОСТИ
В БИПОЛЯРНЫХ ПРИБОРАХ
© 2012 г. А. С. Бакеренков1, В. В. Беляков1, В. С. Першенков1, А. А. Романенко2,
Д. В. Савченков1, 3, В. В. Шуренков1
1 Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" 2ФГУП "Научно-исследовательский институт приборов" 3 ОАО "ЭНПО Специализированные электронные системы" E-mail: vvbelyakov@yandex.ru Поступила в редакцию 16.12.2011 г.
Предложена методика экстракции подстроечных параметров конверсионной модели эффекта низкой интенсивности в биполярных микросхемах. Методика основана на исследовании послерадиа-ционного отжига и высокотемпературном облучении. По результатам исследований двух типов биполярных транзисторов определены параметры конверсионной модели и восстановлены ¿-образные характеристики исследованных приборов, которые могут быть использованы для прогнозирования их долговременной работоспособности при воздействии ионизирующего излучения низкой интенсивности в условиях космического пространства.
1. ВВЕДЕНИЕ
Эффект низкой интенсивности в биполярных приборах состоит в увеличении деградации тока базы МРМ и РМР транзисторов при уменьшении интенсивности ионизирующего излучения [1]. В результате почти 20-и летнего изучения разработаны физические модели эффекта, подробно описанные в обзоре [2]. Однако общепринятой модели до сих пор не существует. Основной недостаток предлагаемых физических моделей состоит в том, что многочисленные подстроечные (подгоночные) параметры, характеризующие кинетику процессов (сечения и темп захвата носителей, концентрация рекомбинационных центров ит.п.), не могут быть экстрагированы непосредственно из эксперимента. Поэтому модели дают лишь качественную характеристику процесса накопления поверхностных состояний при больших и малых интенсивностях. Это затрудняет практическое использование моделей в целях прогнозирования.
В [3] предложена конверсионная модель эффекта, позволяющая в простой аналитической форме описать деградацию тока базы биполярного транзистора при любой суммарной поглощенной дозе, интенсивности и температуре облучения, что открывает возможности построения на ее основе простых и достоверных методик прогнозирования. Данная работа посвящена вопросу экстракции подстроечных параметров конверсионной модели.
2. КОНВЕРСИОННАЯ МОДЕЛЬ ЭФФЕКТА НИЗКОЙ ИНТЕНСИВНОСТИ
Конверсионная модель основывается на предположении, что эффект низкой интенсивности связан лишь с особенностями накопления радиа-ционно-индуцированных поверхностных состояний, т.е. приращение тока базы пропорционально приращению плотности поверхностных состояний. Полагается, что генерация поверхностных состояний происходит при нейтрализации положительного заряда электронами из полупроводника, т.е. за счет конверсии отжигаемого положительного заряда в поверхностные состояния. Определение "конверсионная модель" связано именно с принятой за основу конверсионной природой накопления поверхностных состояний.
Предполагается, что существуют мелкие и глубокие ловушки положительного заряда. За короткое время облучения высокой интенсивностью происходит конверсия только мелких ловушек. При длительном облучении низкой интенсивностью дополнительно конвертируются глубокие ловушки, что приводит к увеличению деградации тока базы. Процесс конверсии действует, как своеобразный "насос", непрерывно перекачивающий радиационно-индуцированный положительный заряд захваченных дырок в поверхностные состояния. В математической форме зависимость деградации тока базы от интенсивности ионизирующего излучения описывается следующим выражением [3]:
Л/Б, отн. ед.
Рис. 1. Зависимость приращения тока базы от интенсивности при постоянной накопленной дозе.
А/б = (КГ + КМ) Б + уКгхг (еуТг - 1), (1)
где Д/Б — приращение тока базы; Кг — коэффициент, характеризующий приращение тока базы за счет конверсии глубоких ловушек и равный приращению тока базы на единицу поглощенной дозы при низкой интенсивности; КМ — коэффициент, характеризующий приращение тока базы за счет конверсии мелких ловушек и равный приращению тока базы на единицу поглощенной дозы при высокой интенсивности; Б — суммарная поглощенная доза; у — интенсивность ионизирующего излучения; тг — время конверсии глубоких ловушек.
Зависимость (1) имеет инверсную ¿-образную характеристику (рис. 1). При воздействии высокой интенсивности за малые времена облучения в поверхностные состояния успевают конвертироваться только мелкие ловушки. Поэтому приращение тока базы при высоких интенсивностях (малых временах облучения) определяется накоплением и конверсией мелких ловушек. Величина приращения тока базы при этом равна КМ • Б.
Начиная с некоторых значений интенсивности (средние времена облучения), приращения тока базы начинают увеличиваться. Это связано с тем, что при уменьшении интенсивности или с увеличением времени облучения плотность поверхностных состояний увеличивается за счет конверсии глубоких ловушек, характерное время конверсии которых значительно больше, чем у мелких ловушек. Переходная область по времени составляет (3—5) тг, где тг — постоянная времени
конверсии глубоких ловушек. Диапазон интен-сивностей, где с уменьшением интенсивности наблюдается рост приращения тока базы, составляет (10-2—1)Б/тг.
При очень малых интенсивностях или очень больших временах облучения практически все глубокие ловушки успевают конвертироваться, поэтому приращение тока снова достигает некоторого постоянного значения. Приращение тока базы при этом увеличивается относительно высокой интенсивности на величину Кг • Б, где Кг — коэффициент, характеризующий приращение тока базы за счет конверсии глубоких ловушек. Полное приращение тока базы при очень низких интенсивностях определяется суммой концентрацией мелких и глубоких ловушек.
Таким образом, конверсионная модель имеет три подстроечных параметра: Кг, КМ и тг. Знание этих параметров позволяет рассчитать полную инверсную ¿-образную характеристику и прогнозировать деградацию тока базы для любой заданной интенсивности и суммарной накопленной дозе облучения. Для экстракции подстроечных параметров используется:
— высокоинтенсивное облучение для определения коэффициента КМ, пропорционального концентрации мелких ловушек;
— высокотемпературный послерадиационный отжиг для определения постоянной конверсии глубоких ловушек тг;
— облучение при высокой температуре для определения коэффициента Кг, пропорционального концентрации глубоких ловушек.
3. МЕЛКИЕ ЛОВУШКИ
Биполярный транзистор облучается при высокой интенсивности 30—300 рад/с при комнатной температуре. Радиационно-индуцированное приращение тока базы должно составлять примерно 50% от исходного значения тока базы. Измеряется приращение тока (Д/Б)ВИ.. Коэффициент КМ вычисляется по формуле:
Км = (Д1Б)В.И./Б, (2)
где (Д/Б)ВИ. — приращение тока базы при воздействии высокой интенсивности.
4. ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ ПОСЛЕРАДИАЦИОННЫЙ ОТЖИг
Зависимости деградации тока базы от времени на этапе послерадиационного отжига при 80°С и 100°С представлены на рис. 2. Эти зависимости типичны для исследуемых МРМ и РМР транзисторов и входных токов транзисторов операционных усилителей.
У
ЭКСТРАКЦИЯ ПОДСТРОЕЧНЫХ ПАРАМЕТРОВ КОНВЕРСИОННОЙ МОДЕЛИ
447
А/б, А 2.0 х 10-6
1.8 х 10-6
1.6 х 10-6
1.4 х 10-6
1.2 х 10-6
1.0 х 10-6
0.8 х 10-7
0 1 03 2 х 103 3 х 103 4 х 103 5 х 103 6 х 103
7, с
Рис. 2. Зависимость тока базы от времени (до 103 с — облучение; после 103 с — отжиг) РКР-транзистора ВС807 (облучение проводится при высокой интенсивности 30 рад (8Ю2)/с).
Поверхностная рекомбинационная составляющая тока базы зависит от плотности поверхностных состояний на границе раздела пассивирующий окисел (8Ю2)—полупроводник (81) Ын, положительного заряда в окисле О0, и заряда на поверхностных состояниях при прямом смещении эмиттерного перехода. На рис. 3 показана зонная диаграмма границы раздела 8Ю2—81 на границе прямо смещенного эмиттерного перехода, где обозначены нейтральные поверхностные состояния (N7), положительный заряд в окисле (0Ы) и заряд на поверхностных состояниях (О7), образующийся на счет захвата инжектированных в базу носителей на поверхностные ловушки. Полагается, как это общепринято, что выше середины запрещенной зоны поверхностные состояния имеют акцепторную природу, т.е. заряжаются отрицательно (О„ < 0), находясь ниже квазиуровня Ферми для электронов ЕРп (рис. 3а). Ниже середины запрещенной зоны поверхностные состояния имеют донорную природу, поэтому заряжаются положительно (О„ > 0), когда свободны, находясь выше квазиуровня Ферми для дырок ЕРр (рис. 3б). Эффективный заряд на границе раздела 0еЖ = Ос ± О,.
В МРМ-транзисторе ток поверхностной рекомбинации прямо пропорционален плотности поверхностных состояний и увеличивается при увеличении эффективного положительного заряда на границе раздела (положительный заряд притягивает инжектированные электроны к поверхности раздела и увеличивает рекомбинаци-онные потери). Поэтому уменьшение тока базы на этапе послерадиационного отжига может быть связано с уменьшением О0, или увеличением О,,
так как в МРМ-транзисторе = О0, — О,. При высокотемпературной обработке заряд О0, отжигается, заряд может возрастать за счет конверсии отжигаемого положительного заряда. Оба процесса приводят к уменьшению тока базы.
В РМР-транзисторе ток поверхностной рекомбинации также прямо пропорционален плотности поверхностных состояний, но уменьшается при увеличении эффективного положительного заряда на границе раздела (положительный заряд отталкивает инжектированные дырки к поверхности раздела и уменьшает рекомбинационные потери). Уменьшение тока базы в этом случае может быть связано только с увеличением положительного заряда на поверхностных состояниях О, „ так как в эффективном заряде Ое-дт= О0, + составляющая О0, уменьшается, а составляющая возрастает. В обоих случаях приращение плотности поверхностных состояний играет второстепенную роль, не приводя к росту тока поверхностной рекомб
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.