DD300922A7 - Verfahren zur Erhöhung der Strahlenresistenz von Halbleiterbauelementen - Google Patents

Abstract

Das Ziel der Erfindung, Halbleiterbauelemente mit stabilen elektrischen Parametern auch bei Einwirkung hoher Strahlungsdosen herzustellen, wird erreicht, indem das Grundmaterial oder die Bauelemente während des Fertigungsprozesses oder danach mit ionisierender Strahlung behandelt wird, wobei die Energiedosen so groß gewählt werden, daß sich im Material ein Gleichgewicht in der Vakanzenbildung einstellt. Die Mindestenergie der Strahlung muß 25keV betragen.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von HL-BE bzw. HL-Detektoren mit erhöhter Resistenz gegenüber der Einwirkung ionisierender Strahlung. Die elektrischen Parameter dieser Bauelemente bleiben auch bei Einwirkung hoher Strahlungsdosen weitestgehend erhalten.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Durch das Einwirken energiereicher Strahlung auf Halbleitermaterialien werden Veränderungen in der Gitterstruktur bewirkt, die die elektrischen Eigenschaften dor aus solchen Materialien hergestellten Bauelemente und Detektoren signifikant ändern können. Für empfindliche Strahlungsdetektoren ergibt sich z. B. die Frage, wie sich das von ihnen gelieferte Signal in Abhängigkeit von der erhaltenen Strahlungsdosis, aber auch von der Strahlungsqualität ändern kann. Wichtig sind infolge ihrer beträchtlichen Reichweite in verschiedenen Materialien Gammastrahlung und schnelle Neutronen. Im Falle von Kernwaffendetonationen treten Neutronen nur im Verlaufe von Millisekunden auf, während die Gammastrahlung von Spaltprodukten des Fallouts sowie der durch die Neutronenstrahlung orzeugten Radionuklide einen beträchtlichen Strahlenpegel mit Energiedosisraten in der Größenordnung von einigen Gy · h"¹ bewirken.

Die durchdringende Gammastrahlung verändert, beginnend mit Dosen von ca. 1OkGy, in elektronischen Bauelementen auf Siliziumbasis die Struktur in den Energieniveaus und begrenzt deren Funktionstüchtigkeit in Strahlungsfeldern. Durch Erzeugung von Vakanzen und daran geknüpfte Folgeprozesse entstehen Niveaus unterschiedlichster Energien, die die Ladungsträgergeneration beider Vorzeichen bei einer gegebenen Temperatur erhöhen. Gleichzeitig kann sich aber auch die Rekombinationsrate erhöhen. Damit sinken die Lebenszeiten für Ladungsträger im Bauelement. Es wurde vorgeschlagen (GB 1413370), diese Prozesse zur Verbesserung des Schaltverhaltens durch Verkürzung der Lebensdauer der Minoritätsträger in Thyristoren als Folge der Behandlung mit Elektronenstrahlung zu nutzen. Auch soll eine Erhöhung der Spannungsfestigkeit von HL-BE durch Strahlungsbehandlung erzielt werden (GB 1413369; BE 803869). Dabei wurden in allen Fällen die Bedingungen der Bestrahlung so gewählt, daß andere, für den Einsatz der BE wichtige Parameter nur unwesentlich verschlechtert werden. Im allgemeinen steigen Störströme und Spannungsabfall in Durchlaßrichtung in derartig behandelten HL-BE. Dadurch treten mit steigender Dosis Qualitätsverschlechterungen auf. So driftet insbesondere die Meßempfindlichkeit von Strahlungsdetektoren in Abhängigkeit von der absorbierten Strahlungsdosis.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung sind elektronische HL-BE und -Detektoren, deren elektrische Parameter auch bei Einwirkung hoher Strahlungsdosen weitestgehend erhalten bleiben.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, übliche HL-BE bzw. -Detektoren herzustellen, deren Strahlenresistenz wesentlich erhöht ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erhöhung der Strahlenresistenz elektronischer HL-BE und -Detektoren besteht darin, daß das für die Herstellung der Bauelemente verwendete Grundmaterial oder die Bauelemente selbst während des Fertigungsprozesses oder danach mit ionisierender Strahlung mit solchen Energiedosen behandelt werden, daß sich im Material ein Gleichgewicht in der Vakanzenbildung einstellt. Die Mindestenergie der für diese Behandlung eingesetzten Strahlung muß 25keV betragen. Die Bestrahlung soll homogen über das gesamte Volumen erfolgen. Es ist auch vorteilhaft, die Bestrahlung bei eir.er definierten Temperatur durchzuführen, die höher sein soll als die maximale Betriebstemperatur der BE. Die Erfindung geht davon aus, daß '

die Schaffung von Vakanzen ein Gleichgewichtsprozeß ist,

- die Tiefe des Energieniveaus mit steigender Dosis der Strahlung wächst,

- ein großer Teil der geschaffenen Energiestrukturen strahlenstimuliert ist,

- die Zuwachsraten an Energieniveaus vergleichbar sind mit Energieabsorptionsdosen für Gammastrahlung, die für Kernwaffendetonationen typisch sind,

- die Vorteile strahlenstimulierter schneller Schdltzeiten erhalten bleiben und

- die Zuwachsraten zu keinen signifikanten Änderungen in den elektrischen Eigenschaften mehr führen.

Ausführungsbeispiel

Figuren 1 und 2 zeigen die Dosisabhängigkeit des Sperrstromes für zwei als HL-Detektoren genutzte Siliziumdioden bei verschiedenen Sperrspannungen U₀. Die Tabelle enthält die Änderungen des Spannungsabfalls in Durchlaßrichtung bei vorgegebenen Strömen.

Die Dioden 4013 bzw. 4018 werden mit Gammastrahlung der Energie 1,2 MeV bis zu einer maximalen Dosis von 70 bzw. 73 Mrad bestrahlt. Dabei wird bei verschiedenen Dosen der Sperrstrom gemessen. Es ist zu sehen, daß die Verbesserung der Sperreigenschaften sich besonders bei hohen Sperrspannungen bemerkbar macht. Sie zeigt auch bei Fortdauer der Strahlungseinwirkung über Dosen von 0,5MGy hinaus keine weitere signifikante Änderung. Damit wird deutlich, daß so behandelte Dioden neben verbesserten Eigenschaften im Sinne der bei Kernwaflendetonationen auftretenden Gammastrahlungseinwirkungen ihre elektrischen Eigenschaften nicht mehr andern.

Tabelle

-Dosis	0	1	10	100	200	300	400	500	600	700
(kGy)					.
ImA)
0,01	0,13	0,12	0,123	0,1?6	0,131	0,14	0,14	0,15	0,155	0,16
0,1	0,195	0,187	0,193	0,196	0,196	0,205	0,21	0,21	0,22	0,22
i,C	0,285	0,23	0,283	0,286	0,29	0,30	0,302	0,302	0,315	0,318
10,0	0,463	0,47	0,457	0,475	0,483	0,502	0,51	0,512	0,525	0,545
20,0	0,562	0,575	0,561	0,580	0,60	0,635	0,645	0,655	0,685	0,718

Claims (3)

1. Verfahren zur Erhöhung der Strahlungsresistenz elektronischer Halbleiter-Bauelemente bzw. -Detektoren durch Behandlung des für die Herstellung der Bauelemente bzw. Detektoren verwendeten Grundmaterials oder der Bauelemente bzw. Detektoren selbst während des Fertigungsprozesses oder danach mit ionisierender Strahlung, dadurch gekennzeichnet, daß die Mindestenergie der Strahlung 25keV beträgt und die Energiedosen so groß gewählt weidun, daß sich im Material ein Gleichgewicht in der Vakanzenbildung einstellen kann.

2. Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß das gesamte Volumen des Bauelementes bzw. des Detektors homogen bestrahlt wird.

3. Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrahlung bei Temperaturen erfolgt, die höher ist als die maximale Einsatztemperatur der Bauelemente bzw. Detektoren.

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