Сравнение устойчивости карбид-кремниевых MESFET и кремниевых LDMOS мощных СВЧ-транзисторов к гамма-излучению Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 621.315.592

СРАВНЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ КАРБИД-КРЕМНИЕВЫХ MESFET И КРЕМНИЕВЫХ ЬБМ08 МОЩНЫХ СВЧ-ТРАНЗИСТОРОВ К ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЮ

М.И. Черных, А.Н. Цоцорин, В.А. Кожевников

Представлены результаты моделирования воздействия гамма-излучения на электрические характеристики кремниевых ЬБМОБ транзисторов и карбид-кремниевых МЕБЕЕТ транзисторов. Проведено сравнение работоспособности данных приборов в условиях гамма-облучения разной интенсивности

Ключевые слова: карбид кремния, ЬБМОБ транзистор, МЕБЕЕТ, гамма-излучение

В настоящее время возрастает интерес к радиационной стойкости мощных СВЧ-транзисторов на основе карбида кремния [1, 2]. Действительно, обладая большой шириной запрещенной зоны и высокой энергией связи, карбид кремния является одним из наиболее стойких к радиационному воздействию полупроводников. Но из-за большой стоимости подложек карбида кремния и сложности в обработке этого материала цена транзисторов на основе карбида кремния высока. С другой стороны, кремниевые мощные СВЧ-транзисторы относительно дешевы, но обладают рядом фундаментальных факторов, ограничивающих их применение в условиях жестких радиационных излучений. В данной статье представлено сравнение устойчивости карбид-кремниевого MESFET и кремниевого LDMOS транзисторов к объемной генерации носителей вследствие воздействия гамма-излучения. В качестве критерия сравнения был выбран ток стока транзистора в закрытом состоянии.

Расчеты проводились в программном комплексе Sentaurus ТСАБ. Метод расчета учитывает следующую зависимость уровня генерации частиц вследствие гамма-излучения от напряженности электрического поля [3, 4]:

где go - константа для данного материала, коэффициент уровня генерации электронно-дырочных пар, D -доза гамма-излучения, Y(F) - функция, зависящая от напряженности электрического поля. При этом константа g0 для кремния выбрана равной 4,05-1013 1/рад-см3, для карбида кремния -

1,41013 1/рад •см

[5, 6].

Конструкция SiC MESFET транзистора схематично представлена на рис. 1. N+ эпитаксиальный слой областей стока и истока имеет концентрацию легирующей примеси (азот) 1019 см-3. Канальный эпитаксиальный слой п-типа имеет толщину 0,3 мкм и легирован азотом концентрацией 1 • 1017 см-3. Буферный эпитаксиальный слой толщиной 3 мкм легирован алюминием с концентрацией 8-1016 см-3. Длина

затвора составляет 1,5 мкм, ширина - 1 мм. При этом напряжение отсечки полученного транзистора равно 11 вольт.

Черных Максим Игоревич - НИИЭТ, аспирант, e-mail: che@niiet.ru

Цоцорин Андрей Николаевич - НИИЭТ, канд. физ.-мат. наук, e-mail: tsotsorin@niiet.ru

Кожевников Владимир Андреевич - НИИЭТ, канд. техн. наук, e-mail: vak@niiet.ru

Рис. 1. Схематичное изображение конструкции MESFET БЮ-транзистора

Конструкция кремниевого LDMOS транзистора схематично приведена на рис. 2. Поверхностная концентрация примеси в канале транзистора 9-1017 см-3. LDD область имеет поверхностную концентрацию примеси 1017 см-3. Подложка легирована до уровня 5-1020 см-3, а эпитаксиальный слой до уровня 7-1014 см-3. Затвор имеет длину 0,4 мкм, ширину 1 мм. Пороговое напряжение транзистора равно 2 вольта.

Рис. 2. Схематичное изображение конструкции LDMOS Бьтранзистора

Ток стока в закрытом состоянии транзистора определялся для LDMOS транзистора при нулевом смещении на затворе, для MESFET транзистора при смещении -15 вольт. Напряжение питания обоих типов транзисторов составляет 50 вольт. Моделирование облучения транзисторов проводилось при различных дозах гамма-излучения от 0 до 1010 рад. Вольт-амперные характеристики транзисторов в закрытом состоянии приведены на рис. 3.

Рис. 3. а) Токи утечки стока MESFET БЮ-транзистора при различных дозах гамма-излучения

Рис. 3. б) Токи утечки стока LDMOS Бьтранзистора при различных дозах гамма-излучения

В рассматриваемой конструкции МЕББЕТ БЮ-транзистора в качестве затвора используется диод Шоттки. Вследствие этого при обратном запирающем напряжении через затвор Шоттки возможно протекание дырочного тока. Так как при генерации носителей вследствие гамма-излучения образуется электронно--дырочная пара, в MESFET транзисторе при отрицательном запирающем напряжении между затвором и стоком и напряжении питания между стоком и истоком образовавшиеся электроны будут двигаться к стоку транзистора, а дырки к электроду с наибольшим отрицательным смещением относительно заземлённого истока, то есть к затвору. Таким образом, при гамма-излучении через отрицательно смещенный затвор MESFET транзистора будет протекать ток, сравнимый с током утечки стока (рис. 4 а). LDMOS транзистор будет лишен такого эффекта (рис. 4 б). Поскольку затвор LDMOS транзистора изолирован от канальной области тонким диэлектриком, в котором утечки по затвору близки к нулю. При облучении LDMOS транзистора гамма-частицами в подзатворном окисле также будет происходить генерация электронно-дырочных пар, но затворный ток будет оставаться несоизмеримо меньше тока стока.

Рис. 4. а) Плотность тока, протекающего в MESFET БЮ-транзисторе при воздействии гамма-излучения

Рис. 4. б) Плотность тока, протекающего в LDMOS Бьтранзисторе при воздействии гамма-излучения

Зависимость тока утечки через затвор MESFET транзистора приведена на рис. 5. Видно, что характер зависимости полностью аналогичен вольт-амперной характеристике, описывающей ток утечки стока, при этом уровень тока утечки через затвор несколько выше, чем через сток транзистора. Этот эффект объясняется конструктивными особенностями MESFET БЮ-транзистора. Область ^канала транзистора имеет намного меньший объем, чем p-область буферного слоя. Так как в модели предполагается равномерная объемная радиационная генерация носителей во всех областях с высокой напряжённостью поля, то в буферной области также будут генерироваться электронно-дырочные пары. При этом электроны, сгенерированные в буферном слое, будут рекомбиниро-вать с дырками легирующей примеси. В свою очередь, дырки, сгенерированные в буферном слое, будут протекать через обедненную подзатворную область канала транзистора. Кроме того, радиационная генерация носителей будет выше в подзатворной области из-за большей напряженности поля. Вследствие этих причин ток утечки затвора несколько превышает ток утечки стока.

Рис. 5. Ток утечки затвора MESFET БЮ-транзистора при различных уровнях гамма-излучения

На рис. 6 представлена зависимость тока стока закрытых карбид-кремниевого MESFET и кремниевого LDMOS 81-транзистора от уровня гамма-излучения. Как видно, МБ8РБТ 81С-транзистор без облучения имеет утечки меньше чем LDMOS 81-транзистор. На начальном участке зависимости ток, вызванный тепловой генерацией носителей, превышает ток носителей, образовавшихся вследствие гамма-излучения. Превалирование радиационной генерации над тепловой для MESFET транзистора начинается при поглощённой дозе гамма-излучения 103 рад, для LDMOS транзистора - 104 рад. На дальнейшем участке зависимости токи утечки LDMOS транзистора в 4,3 раза превышают токи утечки MESFET транзистора.

Рис. 6. Зависимость токов утечки структур от дозы гамма-излучения. Сплошная линия - ЬБМОБ Бьтранзистор, пунктирная - Б1С МББЕБТ

Таким образом, видно, что из-за конструктивных различий транзисторов соотношение токов утечки превышает соотношение коэффициентов генерации g0 для карбида кремния и кремния, использовавшихся для расчета уровня объемной генерации электронно-дырочных пар при гамма-излучении.

Выводы

Токи утечки при воздействии гамма-излучения кремниевого LDMOS транзистора превышают более чем в 4 раза токи утечки карбид-кремниевого MESFET транзистора, что указывает на более высокую стойкость последнего к воздействию гамма-излучения. Кроме того, приведенный расчет выполнен для структур с шириной затвора 1 миллиметр. Если учесть большие плотности мощности на карбид-кремниевых приборах по сравнению с кремниевыми (~2-3 раза), то для приборов с одинаковой мощностью уровень утечек карбид-кремниевого прибора станет еще меньше уровня утечек кремниевого транзистора из-за уменьшения размеров активной области по сравнению с кремниевым LDMOS транзистором.

Литература

1. Радиационная стойкость широкозонных полупроводников на примере карбида кремния [Текст] / А.А. Лебедев, В.В. Козловский, Н.Б. Сорокин и др. // Физика и техника полупроводников. - 2002. - Т. 36. - Вып. 11. С. 13541359.

2. Yoshikawa M. Effects of Gamma-ray Irradiation and Thermal Annealing on Electrical Characteristics of SiC MOSFETs Ohshima [Text] / M. Yoshikawa, H. Itoh // Inst. Phys. Conf. Ser. - 1996. - Vol. 142. - P. 801-804.

3. Leray, J.-L. Total Dose Effects: Modeling for Present and Future [Text] / J.-L. Leray // IEEE Nuclear and Space Radiation Effects Conference (NsREC) Short Course. - 1999. -237 p.

4. Messenger, G.C. The Effects of Radiation on Sentau-rus Device User Guide Version I-2013.12, 2013.

5. Messenger, G.C. Electronic Systems [Text] / G.C. Messenger, M.S. Ash. - 2nd edition // Van Nostrand Reinhold, NY. - 1992.

6. Radiation Effects - From Particles to Payloads [Text]: Short Course Notebook // Todd Weatherford and others. - Arizona, 2002. - 317 p.

Научно-исследовательский институт электронной техники, г. Воронеж

COMPARISON OF GAMMA RADIATION DAMAGE STABILITY OF SIC MESFET AND SI LDMOS POWER RF TRANSISTORSBH

M.I. Chernykh, A.N. Tsotsorin, V.A. Kozhevnikov

In this paper, the results of simulation of gamma radiation influence on electrical characteristics of LDMOS transistor and SiC MESFET are presented. The gamma radiation damage stability of these devices was compared

Key words: SiC, LDMOS transistor, MESFET, gamma radiation