СПОСОБ ИСПЫТАНИЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ФОТОПРИЕМНИКОВ Российский патент 2001 года по МПК H01L21/66 

Изобретение относится к способам испытаний полупроводниковых приборов на стойкость к воздействию электронного и протонного излучений различных энергии по результатам испытаний на стойкость к импульсному реакторному гамма-нейтронному излучению с использованием коэффициентов пересчета, в частности фотодиодов, применяемых в системах управления и ориентации.

Известен способ определения стойкости полупроводниковых приборов к электронному или протонному излучениям, заключающийся в облучении приборов электронным или протонным пучком на линейном ускорителе или циклотроне и измерении параметров до и после облучения [Заитов Ф.А., Литвинова Н.М., Савицкая В.Г., Средин В.Г. Радиационная стойкость в оптоэлектронике. - М.: Воениздат, 1987, с. 27].

Недостатком указанного способа является высокая стоимость подобных испытаний и недоступность установок, создающих протоны (электроны) некоторых энергий, находящихся в других странах из-за распада бывшего СССР.

Установлено в процессе испытаний кремния на стойкость к воздействию нейтронов реактора, протонов и электронов, что при всех видах облучения в кремнии n-типа создается уровень E_c-0,18 эВ, а в кремнии p-типа - уровень E_v +0,3 эВ, т.е. нейтроны, протоны и электроны создают одни и те же уровни дефектов в запрещенной зоне кремния, однако скорость введения дефектов - разная [Кузнецов В. И. . Мраков П.Ф. Отжиг дефектов в кремнии, облученном протонами с энергией 660 МэВ. //Тезисы доклада Всесоюзного симпозиума. Радиационные дефекты в полупроводниках. Минск, 1972 г. Tokuda Y. Usami A. Comparison of neutrons and 2-MeV electrons damage in n-type silicon by deep level transient spectroscopy //IEEE Trans. Nucl. Sci. - 1981 - vol. NS-28, p. 3564-3568. Chanhai I.I., Bhoroskar S.V., Padgakar J., Bhoroshar V.N. Comparison of defect produced by 14-MeV neutrons and 1-MeV electrons in n-type silicon //J. Appl. Phys. - 1991 - vol. 70(3) -p.1261-1263.].

Недостатком данного способа является отсутствие однозначно определенных коэффициентов пересчета эффективности воздействия нейтронного излучения относительно протонного и электронного.

Наиболее близким по технической сущности и принятым за прототип является экспериментально разработанный способ прогнозирования интенсивности сбоев БИС в полях протонного и нейтронного излучений. Коэффициенты пересчета эффективности воздействия излучений по эффекту сбоев для кремниевых БИС после облучения протонами составляют 1, реакторными нейтронами - 300-700, нейтронами с энергией 14 МэВ - 1-2 [Артемов А.Д., Данилин Ю.И., Курышов А.В., Соболев С.А., Фролов А.С. Вопросы атомной науки и техники. Сер. Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру -1989 - Вып. 4, с. 50-56].

Недостатком данного способа является отсутствие данных о применимости выведенных коэффициентов пересчета для фотодиодных структур, в которых существенное влияние на параметры приборов оказывают не только поверхностные эффекты, но и механизмы сбора носителей заряда. Кроме того, существенным недостатком данного способа является отсутствие информации о конкретных коэффициентах пересчета эффективности воздействия нейтронного излучения реактора и электронного излучения с энергией 4-5 МэВ, а также протонного излучения с энергиями 6 МэВ, 20-21 МэВ, 64 МэВ, т.к. установки, создающие частицы с такими энергиями, наиболее известны в России и аттестованы как исследовательские.

Целью изобретения является снижение стоимости и продолжительности испытаний на радиационную стойкость, а также повышение достоверности результатов испытаний.

Указанная цель достигается тем, что при испытаниях на радиационную стойкость вместо облучения гамма-нейтронным излучением реактора, и протонами, и электронами, осуществляется только облучение гамма-нейтронным излучением реактора со средней энергией 1,0-3,0 МэВ и для определения стойкости к протонному излучению с энергией 6 МэВ используется коэффициент пересчета 9-20, к протонному излучению с энергией 20-21 МэВ - 2-10, к протонному излучению с энергией 64 МэВ - 1-5, к электронному излучению с энергией 4-5 МэВ - 0,1-1.

Таким образом, результаты исследований радиационной стойкости к воздействию гамма-нейтронного излучения реактора могут быть использованы для определения стойкости к протонному и электронному излучениям с применением соответствующих коэффициентов пересчета. Обычно заключение о стойкости приборов к воздействию проникающей радиации делают по результатам испытаний на стойкость к гамма-нейтронному, протонному и электронному излучениям. Поэтому данный метод, предполагающий только облучение гамма-нейтронным реакторным излучением, позволяет существенно снизить стоимость испытаний за счет уменьшения их объема. При этом следует учесть более низкую стоимость испытаний на нейтронных реакторах, чем ускорителях протонов и электронов, что позволяет повысить достоверность результатов испытаний.

Допустимые пределы коэффициентов пересчета определялись эмпирическим путем по результатам исследований, проведенных на фотоприемниках с различной структурой, изготовленных на различных материалах. В процессе этих исследований была установлена зависимость между коэффициентами пересчета эффективности воздействий друг относительно друга и механизмами сбора носителей в фотоприемнике. Конкретные оптимальные значения коэффициентов пересчета выбираются в зависимости от характеристик исходного полупроводникового материала и структуры p-n перехода.

Допустимые пределы энергий нейтронов, протонов и электронов определяются эмпирически и могут изменяться в указанных пределах в зависимости от настройки установки.

Предлагаемый способ был опробирован при испытаниях фотодиодов. Все приборы были разделены на несколько идентичных партий.

В качестве параметров-критериев годности фотодиодов выбраны:
I_T - при U_p = 3 В - темновой ток,
S_I - интегральная чувствительность к источнику типа "A"
Все параметры замеряются перед началом работы и после каждого воздействия.

Для определения стойкости приборов:
- фотодиоды одной партии облучают гамма-нейтронным излучением реактора со средней энергией нейтронов 1,0-3,0 МэВ потоками уровня 5•10¹⁰ - 5•14¹³ у. е.

- аналогичную партию фотодиодов облучают протонами с энергией 6 МэВ потонами уровня 1•10¹⁰ - 9•10¹³ у.е.

- аналогичную партию фотодиодов облучают протонами с энергией 20-21 МэВ потоками уровня 1•10¹⁰ - 9•10¹³ у.е.

- аналогичную партию фотодиодов облучают протонами с энергией 64 МэВ потоками уровня 1•10¹⁰ - 9•10¹³ у.е.

- аналогичную партию кремниевых фотодиодов облучают электронами с энергией 4-5 МэВ потоками уровня 1•10¹⁰ - 1•10¹⁵ у.е.

Коэффициент пересчета эффективности воздействия гамма-нейтронного излучения и протонов, гамма-нейтронного излучения и электронов определяется как отношение потоков, вызывающих одинаковые изменения параметров-критериев.

где Ф_nреак - поток реакторных нейтронов,
Ф_р(е) - поток протонов (электронов).

Описываемый вновь вводимый способ испытаний возможно предложить благодаря одинаковому характеру изменения параметров-критериев при воздействии гамма-нейтронного излучения, протонного и электронного.

Коэффициент пересчета, определенный по (1.1) влияния импульсного гамма-нейтронного излучения со средней энергией 1,0-3,0 МэВ и протонного излучения с энергией 6 МэВ на параметры-критерии фотодиодов составляет - 9-20, импульсного гамма-нейтронного излучения со средней энергией нейтронов 1,0-3,0 эВ и протонного излучения с энергией 20-21 МэВ - 2-10, импульсного гамма-нейтронного излучения со средней энергией 1,0-3,0 МэВ и протонного излучения с энергией 64 МэВ - 1-5, импульсного гамма-нейтронного излучения со средней энергией 1,0-3,0 МэВ и электронного с энергией 4-5 МэВ - 0,1-1.

Таким образом, введение коэффициентов пересчета эффективности воздействия излучений друг относительно друга существенно сокращает объем испытаний, уменьшая время их проведения и стоимость, что очень важно как при проведении исследований, так и при проведении зачетных испытаний.

Изобретение относится к области радиационных испытаний полупроводниковых приборов. Способ заключается в облучении фотоприемников импульсным гамма-нейтронным реакторным излучением и измерении фотоэлектрических параметров до и после облучения, по изменению которых определяется радиационная стойкость фотоприемников. Стойкость к протонному и электронному излучениям определяется по результатам испытаний на стойкость к импульсному гамма-нейтронному излучению реактора с определенными коэффициентами пересчета потоков реакторных нейтронов к потокам протонов и к потокам электронов в зависимости от энергий реакторных нейтронов, протонов и электронов. Техническим результатом является возможность сократить объем испытаний и низкая стоимость испытаний.

Способ испытаний фотоприемников на стойкость к воздействию проникающей радиации, включающий облучение фотоприемников импульсным гамма-нейтронным реакторным излучением со средней энергией нейтронов 1 - 3 МэВ и измерение фотоэлектрических параметров до и после облучения, по изменению которых определяется радиационная стойкость фотоприемников, отличающийся тем, что стойкость к протонному и электронному излучениям определяется по результатам испытаний на стойкость к импульсному гамма-нейтронному излучению реактора со средней энергией нейтронов 1 - 3 МэВ с коэффициентами пересчета потоков реакторных нейтронов со средней энергией нейтронов 1 - 3 МэВ к потокам протонов с энергией 64 МэВ - К = 1 - 5, к потокам протонов с энергией 20 -21 МэВ - К = 2 - 10, к потокам протонов с энергией 6 МэВ - К = 9 - 20, к потокам электронов с энергией 4 - 5 МэВ - К = 0,1 - 1.