CC BY
18ВЛИЯНИЕ РАДИАЦИОННЫХ ДЕФЕКТОВ, СОЗДАННЫХ НИЗКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ ПРОТОНАМИ, НА ИМПУЛЬСНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КРЕМНИЕВЫХ N+-P-P+ СТРУКТУР
Богатов Н.М., Володин В.С., Григорьян Л.Р., Коваленко А.И., Коваленко М.С.
ФГБОУ ВО «Кубанский государственный университет», г. Краснодар
Аннотация
Проанализировано влияние облучения низкоэнергетическими протонами на импульсные характеристики кремниевых n+-p-p+ структур. Показано, что облучение протонами с энергией 180 keV и дозой 1015 cm-2 создает в ОПЗ n+-p перехода область с эффективным временем жизни 5.5-10-8 s. Такие элементы могут использоваться для создания быстродействующих фотодиодов с рабочей частотой модуляции 18 MHz.
Ключевые слова: кремний, n+-p переход, время жизни, протон.
Введение
Импульсные характеристики полупроводниковых структур с n+-p переходом определяются рекомбинационными параметрами полупроводниковых структур. В кремнии время жизни неравновесных носителей заряда определяется рекомбинацией через примесные центры. Для измерения этого параметра с учетом влияния поверхностной рекомбинации используются бесконтактные измерения спада фотопроводимости [1,2]. Методики определения времени жизни неравновесных носителей заряда совершенствуются. Бесконтактные измерения времени жизни неосновных носителей заряда с помощью регистрируемой микроволновым излучением фотопроводимости используются для контроля результатов технологических воздействий [3]. Для определения влияния структурных дефектов на объемную составляющую времени жизни неосновных носителей заряда и
скорости рекомбинации в p-n-переходе в двухстороннем солнечном элементе из поликристаллического кремния применяется импульсное освещение [4]. В данной работе измерялось переходное напряжение в неосвещенных кремниевых n+-p-p+ структурах, облученных низкоэнергетическими протонами, чтобы исключить временную зависимость фототока и фотопроводимости, использующуюся в методиках [1 - 4].
Облучение кремниевых структур протонами позволяет уменьшить время жизни носителей заряда в локальном объеме структуры, что позволяет улучшить совокупность статических и частотных характеристик приборов [5]. В работах [6,7] показано влияние протонов с энергией Ep = 40 keV и Ep = 180 keV при температуре облучаемых образцов Tp = 83 K и Tp = 300 K на параметры вольтамперных характеристик (ВАХ) кремниевых фотоэлектрических структур n+-p-p+ типа. Протоны с начальной энергией 40 keV преимущественно изменяют физические свойства п+-слоя, а протоны с начальной энергией 180 keV свойства области пространственного заряда (ОПЗ) в p-слое. Количество радиационных дефектов в максимуме распределения в п+-слое при Ep = 40 keV, Tp = 83 K много меньше, чем в p-слое при Ep = 180 keV, Tp = 83 K и в п+-слое при Ep = 40 keV, Tp = 300 K. В работе [8] исследовано влияние облучения низкоэнергетическими протонами на импульсные характеристики кремниевых фотоэлектрических структур. Показано, что облучение протонами с энергией 180 keV и дозой 1015 cm-2 создает в ОПЗ n+-p перехода область с высокой концентрацией радиационных дефектов.
Цель работы - анализ влияния облучения низкоэнергетическими протонами на импульсные характеристики и время жизни кремниевых структур с n+-p переходом.
Измерение импульсных характеристик
Экспериментально исследовались n+-p-p+- структуры из кремния, выращенного методом Чохральского, с удельным сопротивлением базы p-типа р= 10 Q-cm и концентрацией равновесных дырок p0 « 1015 cm-3, глубиной
диффузионных n+-p и p-p+- переходов dn « dp « 0,45 jum, толщиной
L « 200 um. Поверхностная концентрация фосфора составляла NP « 1020 cm-3, бора - NB « 1020 cm-3. Образцы площадью S « 1 cm2 были получены лазерным разделением пластин с помощью твердотельного ИАГ-лазера в импульсном режиме работы.
Образцы облучались со стороны п+-слоя потоком протонов с энергией Ep = 40 keV, 180 keV и дозой Fp = 1015 cm-2 при температуре образцов Tp = 300 K, Tp = 83 K на имплантере Extrion/Varian: №1 - Ep = 180 keV, Tp = 83 K; №2 - Ep = 40 keV, Tp = 83 K; №3 - Ep = 40 keV, Tp = 300 K. Контрольный образец №4 не облучался.
Импульсные характеристики измерялись с помощью цифрового осциллографа DS0X2022A, включающего функции генератора импульсов напряжения и мультиметра. Принципиальная электрическая схема показана на рис. 1. Для определения времени переключения использовались биполярные прямоугольные импульсы напряжения с постоянной амплитудой 10 mV и частотой 200 kHz и 1 MHz. Зависимость напряжения U от времени для исследуемых образцов измерялась в темноте.
Рисунок 1 - Принципиальная электрическая схема: 1 - генератор импульсов напряжения, 2 - сопротивление кабеля R = 0,1 Om, 3 - высокочастотный щуп fmax = 300 MHz, 4 - осциллограф, 5 - исследуемый образец
2
1
4
Импульсные характеристики исследуемых структур, представленные на рис. 2 и рис. 3., с достаточной точностью аппроксимируются одно
экспоненциальной зависимостью напряжения от времени (формула 1) для образцов №2, №3, №4, а образца №1 - двух экспоненциальной зависимостью (формула 2).
Рисунок 2 - Импульсные характеристики при частоте импульсов 200 kHz: 1 - образец №1, 2 - образец №2, 3 - образец №3, 4 - образец №4.
Рисунок 3 - Импульсные характеристики при частоте импульсов 1 MHz: 1 - образец №1, 2 - образец №2, 3 - образец №3, 4 - образец №4.
U(t) = 2Ae-(t-t°VT — А, U(t) = 2A(a1e-(t-t°)/Ti + a2e-(t-to)/r2) — A,
(1) (2)
где А = + 10 mV - амплитуда биполярного импульса напряжения, t0 - начало отсчета, т, т, г2, а1, а2, - параметры, определяемые в результате аппроксимации.
Зависимости U(t) для образцов №2, №3, №4 близки. Для этих образцов найдены следующие значения времени переключения: №2 - т= 6.6-10-7 s, №3
- т= 6.3-10-7 s, №4 - т= 6.4-10-7 s. Для образца №1 найдены два значения т = 4.2-10-7 s, Т2 = 5.5-10-8 s [8].
Анализ результатов исследования
Найденные значения времени переключения можно объяснить, используя рассчитанные в [6, 7] распределения по глубине среднего числа первичных радиационных дефектов (ПРД): Gsi - междоузельного кремния, GV
- вакансий, GW - дивакансий, созданных на единице длины проективного пробега одним протоном, показанные на рис. 4.
Количество ПРД, созданных в n+^лое на расстоянии 0.41 jum от поверхности протонами с Ep = 40 keV при Tp = 83 K и Tp = 300 K, отличается в несколько раз. Однако значения тв облученных №2, №3 и необлученном №4 образце близки и, следовательно, не могут быть временем жизни дырок в n+-слое. Эти значения много меньше времени жизни электронов в базе p-типа. Поэтому считаем, что измеренные зависимости U(t) определяются падением напряжения в ОПЗ n+-p перехода, а значения т являются эффективным временем жизни носителей заряда в этой области.
Протоны с Ep = 180 keV создают ПРД на глубине 1.51 jum во всей ОПЗ n+^-перехода (рис. 4). Следовательно, структура ОПЗ образца №21 изменилась, в ней существуют две области с различными значениями эффективного времени жизни т и т2. Значение т2 относится к области с высокой концентрацией радиационных дефектов в окрестности пика Брэгга, расположенного при x = 1.48 jum (рис 4).
Рисунок 4 - Распределение среднего числа ПРД, созданных на единице длины проективного пробега одним протоном. Ep = 180 keV, Tp = 83 K: 1 -
GSi, 2 - Gv, 3 - Gw; Ep = 40 keV, Tp = 83 K: 4 - Gsi, 5 - Gv, 6 - Gw; Ep = 40 keV,
Tp = 300 K: 7 - Gsi, 8 - Gv, 9 - Gw.
Эти выводы подтверждаются результатами анализа темновых вольтамперных характеристик (ВАХ) исследуемых образцов [6, 7]. На рис. 5 представлены экспериментальные ВАХ кремниевых п+-р-р+ структур. ВАХ получены с помощью измерителя параметров полупроводниковых приборов ИППП-1 при температуре Т = 300 К. Экспериментальные ВАХ аппроксимировались теоретической зависимостью (3).
f
I = Iо
e(U - IR )
exP 1-Г-1
akT
U - IR
+-", (3)
R
V I им. J J
где /0 - обратный ток насыщения, а - коэффициент неидеальности п-р-перехода, Я - сосредоточенное последовательное сопротивление, -
шунтирующее сопротивление определялись в результате аппроксимации измеренных зависимостей 1(Ц) (к - постоянная Больцмана).
Рисунок 5 - ВАХ кремниевых структур: 1 - образец №1, 2 - образец №2, 3 -
образец №3, 4 - образец №4.
Рассчитанные в результате аппроксимации параметры ВАХ приведены в таблице.
Таблица - Параметры ВАХ
Образец 10, А а Я,, Ом Я*, Ом
1 1.6-10-4 2.6 3.1 1.2-105
2 1.6-10-9 1.2 2.3 1.1-105
3 1,5-10-8 1,3 2,2 1,1105
4 1.6-10-8 1.6 4.2 3.4105
Значение коэффициента неидеальности п+-р-перехода а = 1,6 для необлученного образца №4 свидетельствует о том, что основной вклад в силу тока I в диапазоне напряжений и < 0,6 V дает ОПЗ.
Радиационные дефекты, созданные протонами с Ер = 180 keV, нарушают структуру ОПЗ п+-р-перехода и уменьшают время жизни носителей заряда, что приводит к существенному увеличению вклада ОПЗ в обратный ток насыщения 10 и коэффициента неидеальности п-р-перехода а = 2.6 у образца № 1.
Протоны с Ер = 40 keV создают радиационные дефекты в п-области. В результате уменьшаются время жизни, диффузионная длина неосновных и концентрация основных носителей заряда. Следствием этого является увеличение вклада квазинейтральной части п-области в силу тока I, проявляющееся в уменьшении результирующего коэффициента неидеальности ОПЗ п-р-перехода. Поэтому для образцов 2 (Тр = 83 К) и 3 (Тр = 300 К) коэффициент неидеальности ВАХ а близок к 1.
В отличие от образца 3, значение 10 у образца 2 меньше на порядок, что обусловлено значительно меньшим числом ПРД в области максимума распределения Gsi, Оу, созданных в п-области в случае Тр = 83 К, в сравнении с Тр = 300 К (рис. 4).
У облученных образцов Л меньше, чем у необлученного, что, по-видимому, связано с уменьшением поверхностного сопротивления. Уменьшение у облученных образцов может быть вызвано увеличением плотности поверхностных состояний на торцах.
Заключение
В кремниевой структуре протоны с энергией 180 keV создают ПРД в слое толщиной 1.51 /п, а протоны с энергией 40 keV - в слое толщиной 0.41 /п. При температуре облучения образцов 83 К количество ПРД в пике распределения в конце проективного пробега протона с Ер = 40 keV оказывается много меньше, чем для протона с Ер = 180 keV, что обусловлено различием процессов разделения пар 811, У в кремнии п- и р-типа проводимости [6, 7]. Облучение протонами с Ер = 180 keV изменяет физические свойства высоколегированного слоя п+-типа и всей ОПЗ п+-р перехода. Протоны с Ер = 40 keV изменяют свойства слоя п-типа, не
воздействуя на ОПЗ, если глубина залегания n+-p перехода превышает среднюю длину проективного пробега протона.
В результате облучения протонами с энергией 180 keV и дозой 1015 cm-2 изменились свойства ОПЗ n+-p перехода так, что время переключения снизилось до 5.5-10-8 s. Такие элементы могут использоваться для создания быстродействующих структур с рабочей частотой модуляции 18 MHz.
Благодарности
Авторы благодарят сотрудников ФГБУН Институт проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов Российской академии наук Ю.А. Агафонова, В.И. Зиненко за облучение образцов.
Библиографический список
1. Anfimov I.M. On the Problem of Determining the Bulk Lifetime by Photoconductivity Decay on the Unpassivated Samples of Monocrystalline Silicon / I.M. Anfimov, S.P. Kobeleva, A.V. Pylnev, I.V. Schemerov, D. S. Egorov, S.Yu. Yurchuk // Russian Microelectronics. 2017. V. 46. N 8. P. 585-590. DOI: 10.1134/S1063739717080030
2. Koshelev O.G. Separate determination of the photoelectric parameters of n+-p(n)-p+ silicon structure base region by noncontact method based on measurements of quantum efficiency relationships at two wavelengths / O.G. Koshelev, N.G. Vasiljev // Modern Electronic Materials. 2017. V. 3. N 3. P. 127130. https://doi.org/10.1016/j. moem.2017.11.002
3. Bscheid C. Minority Carrier Lifetime Measurements for Contactless Oxidation Process Characterization and Furnace Profiling / C. Bscheid, C.R. Engst, I. Eisele, C. Kutter // Materials. 2019. V. 12. N 1. P. 1-13. DOI: 10.3390/ma12010190
4. Sam R. 3D determination of the minority carrier lifetime and the p-n junction recombination velocity of a polycrystalline silicon solar cell / R. Sam, B. Zouma, F. Zougmore, Z. Koalaga, M. Zoungrana, I. Zerbo// IOP Conf. Series:
Materials Science and Engineering. 2012. V. 29 N 012018. P. 1-8. DOI: 10.1088/1757-899X/29/1/012018
5. Козлов В.А. Легирование полупроводников радиационными дефектами при облучении протонами и а-частицами / В.А. Козлов, В.В. Козловский // Физика и техника полупроводников. 2001. Т. 35. В. 7. С. 769795. http://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/38565
6. Агафонов Ю.А. Влияние радиационных дефектов, созданных низкоэнергетическими протонами в сильнолегированном слое, на характеристики кремниевых п+-р-р+-структур / Ю.А. Агафонов, Н.М. Богатов, Л.Р. Григорьян, В.И. Зиненко, А.И. Коваленко, М.С. Коваленко, Ф.А. Колоколов // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2018. № 10. С. 86-91. DOI: 10.1134/S0207352818110033
7. Богатов Н.М. Влияние радиационных дефектов, созданных низкоэнергетическими протонами при температуре 83 K, на характеристики кремниевых фотоэлектрических структур / Н.М. Богатов, Л.Р. Григорьян, А.И. Коваленко, М.С. Коваленко, Ф.А. Колоколов, Л.С. Лунин // Физика и техника полупроводников. 2020. Т. 54. В. 2. С. 144-149. DOI: 10.21883/FTP.2020.02.48909.9255
8. Богатов Н.М. Импульсные характеристики кремниевых фотоэлектрических преобразователей, облученных низкоэнергетическими протонами / Н.М. Богатов, Л.Р. Григорьян, А.И. Коваленко, М.С. Коваленко, Л.С. Лунин // Письма в ЖТФ. 2021. Т. 47. В. 7 С. 10-12. DOI: 10.21883/PJTF.2021.07.50791.18596
