способ повышения радиационной стойкости приборов на основе арсенида галлия

Формула изобретения

Способ повышения радиационной стойкости приборов на основе арсенида галлия, включающий изготовление приборов и проведение термической обработки, отличающийся тем, что после изготовления приборы облучают флюенсом быстрых нейтронов в интервале от 1·10 ¹³ нейтрон/см² до F _{n max}, определяемого по формуле

где F_{n max} - максимальное значение флюенса нейтронов; - допустимый уровень изменения исходной концентрации электронов в активной области прибора; n₀, n _F - концентрация электронов в активной области прибора до и после облучения, соответственно, см^-3 , а после облучения проводят термическую обработку при температуре 200±20°С в течение 30-60 мин.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано при изготовлении полупроводниковых приборов на основе арсенида галлия.

Известен способ радиационной обработки транзисторов (Патент РФ № 1424634, МПК Н01L 21/363. Способ радиационной обработки транзисторов / Белецкий П.Н., Вайсбурд Д.И., Орлов В.М., Чмух З.Н., Шемендюк А.П. - заявл. 12.01.1987, опубл. БИПМ №11, 20.04.2000 г.), суть которого заключается в облучении пластин кремния с транзисторными структурами протонами с энергией, при которой пробег протонов не менее толщины пластины, и дозой от 7·10¹³ до 25·10 ¹³ протон/см², а затем проводят термообработку при 400-450°С в течение 20-30 мин.

Однако данный способ невозможно использовать для приборов на основе арсенида галлия.

Известен способ повышения радиационной стойкости кремния (Патент РФ № 847839, МПК: Н01L 21/324 / Ахметов В.Д., Болотов В.В., Смирнов Л.С., ИФП СО АН СССР, заявл. 23.08.1979, опубл. БИМП № 17, 20.06.2000 г. - прототип), заключающийся в том, что проводят термическую обработку кремния в интервале температур 500-600°С в течение 100-800 ч в неактивной среде.

Данный способ, как и описанный выше, невозможно использовать для приборов на основе арсенида галлия.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение стойкости приборов на основе арсенида галлия к воздействию облучения электронами различных энергий и гамма-квантами.

Поставленная задача достигается тем, что в способе повышения радиационной стойкости приборов на основе арсенида галлия, включающем изготовление приборов и проведение термической обработки, после изготовления приборов проводят облучение флюенсом быстрых нейтронов в интервале от минимального флюенса, равного 1·10¹³ нейтрон/см², до максимального флюенса, определяемого по формуле

где F_{n max} - максимальное значение флюенса нейтронов; - допустимый уровень изменения исходной концентрации электронов в активной области прибора; n₀, n _F - концентрация электронов в активной области прибора до и после облучения соответственно, см^-3 , а после облучения проводят термическую обработку при температуре 200±20°С в течение 30-60 мин.

Нижний предел флюенса быстрых нейтронов определяется тем, что использование флюенсов менее 1·10¹³ нейтрон/см ² не позволяет получить заметного повышения радиационной стойкости приборов на основе арсенида галлия к воздействию облучения электронами и гамма-квантами.

С другой стороны, использование флюенса больше F_{n max} (1) приводит к деградации параметров приборов вследствие недопустимого уменьшения концентрации электронов в активном слое приборов в результате предварительного облучения. Допустимое изменение концентрации электронов в активном слое прибора задается коэффициентом К (1).

Использование температуры менее +180°С при последующей термической обработке не позволяет стабилизировать параметры приборов, подвергнутых предварительному облучению быстрыми нейтронами, в то время как использование температуры более +220°С может приводить к деградации параметров приборов.

Процесс стабилизации структуры радиационных дефектов полностью завершается при термическом отжиге при температуре 200±20°С в течение 30-60 минут, и при дальнейшем отжиге параметры приборов остаются неизменными.

Изложенное выше изобретение обеспечивает следующий положительный эффект. После облучения быстрыми нейтронами с последующим термическим отжигом концентрация электронов и их подвижность в арсениде галлия и, следовательно, электрические параметры приборов на его основе существенно не отличаются от исходных значений, но при этом повышается их стойкость к воздействию электронов и гамма-квантов.

Физическая сущность предлагаемого способа заключается в следующем. В результате воздействия флюенса быстрых нейтронов в арсениде галлия и приборах на его основе формируются треки пробега частиц, которые являются местом стока радиационных дефектов, вводимых при последующем облучении электронами и гамма-квантами. В результате сбора радиационных дефектов, создаваемых при последующем облучении электронами и гамма-квантами, на треках пробега быстрых нейтронов замедляется процесс деградации электрофизических свойств арсенида галлия и, соответственно, повышается радиационная стойкость.

Проведение термической обработки после предварительного облучения быстрыми нейтронами позволяет стабилизировать параметры приборов (исключить медленный дрейф параметров приборов при наработке) за счет стабилизации структуры радиационных дефектов, вводимых в результате предварительного облучения быстрыми нейтронами.

На чертеже показано изменение среднего значения мощности СВЧ-генерации диодов Ганна миллиметрового диапазона длин волн для различных партий приборов при облучении электронами с энергией 3 МэВ. Здесь: 1 - диоды изготовлены из приборных структур без предварительного облучения быстрыми нейтронами; 2 - диоды изготовлены из приборных структур при использовании облучения быстрыми нейтронами флюенсом F_n1=6,28·10¹³ нейтрон/см² (F_{n min} <F_n1<F_{n max} ); 3 - диоды изготовлены из приборных структур при использовании облучения быстрыми нейтронами флюенсом F_n2 =2,53·10¹⁴ нейтрон/см ² (F_n2>F_{n max} ). Во всех случаях после облучения быстрыми нейтронами проводилась термическая обработка при температуре +200°С в течение 40 мин. Для всех партий приборов мощность СВЧ-генерации после облучения электронами нормирована на ее значение до облучения.

Рассмотрим реализацию предлагаемого способа на примере диодов Ганна. По обычной сэндвич-технологии, включающей различные операции (создание контактов, формирование активных элементов методами фотолитографии, скрайбирование пластин на отдельные кристаллы и термокомпрессионная сборка в металлокерамический корпус) из приборных структур с требуемой концентрацией электронов в активных слоях изготавливают диоды Ганна. После термокомпрессионной сборки в металлокерамические корпуса полученные диоды облучают быстрыми нейтронами флюенсом, значение которого выбирают в диапазоне от 1·10 ¹³ нейтрон/см² до F _nmax, величина которого определяется по соотношению (1).

После облучения диодов проводят термическую обработку при температуре +200°С в течение 40 мин. Таким образом, получают диоды Ганна с повышенной стойкостью к облучению электронами и гамма-квантами.

Как видно из результатов, представленных на чертеже, предварительное облучение быстрыми нейтронами позволяет существенно повысить стойкость диодов Ганна к последующему облучению электронами. Несоблюдение требований к флюенсу быстрых нейтронов, оговоренных выше, не позволяет достигнуть возможного максимального повышения радиационной стойкости диодов Ганна, как это видно из результатов, показанных на чертеже.

Если в качестве критерия годности диода Ганна взять мощность СВЧ-генерации на уровне 75% от ее значения до облучения электронами, тогда экспериментальные результаты, представленные на чертеже позволяют сделать вывод о том, что предварительное облучение быстрыми нейтронами с последующей термической обработкой позволяет повысить стойкость диодов Ганна более чем в три раза. Выбранное нами допустимое изменение мощности СВЧ-генерации в результате облучения электронами основано на анализе результатов исследования стойкости генераторных систем на основе диодов Ганна к воздействию различных внешних факторов. При облучении гамма-квантами также обнаруживается существенное повышение стойкости приборов, изготовленных по предлагаемому способу.

Для других типов диодов Ганна, других видов полупроводниковых приборов на основе арсенида галлия при использовании предварительного облучения быстрыми нейтронами с последующей термической обработкой наблюдаются хорошие результаты, что подтверждает эффективность практического использования предлагаемого способа.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет существенно повысить радиационную стойкость приборов на основе арсенида галлия к воздействию электронов и гамма-квантов. Практическая реализация предлагаемого способа не вызывает каких-либо затруднений.