pimiПриборы и методы измеренийDevices and Methods of Measurements2220-95062414-0473BNTU10.21122/2220-9506-2023-14-1-38-43pimi-807Research ArticleМетоды измерений, контроля, диагностикиMethods of measurements, monitoring, diagnosticsИмпеданс индуктивного типа барьерных структур Mo/n-Si, облучённых альфа-частицамиInductive Type Impedance of Mo/n-Si Barrier Structures Irradiated with Alpha ParticlesПоклонскийН. А.PoklonskiN. A.

Адрес для переписки:Поклонский Н.А.–Белорусский государственный университет,пр-т Независимости, 4, г. Минск 220030, Беларусь e-mail: poklonski@bsu.by

Address for correspondence:Poklonski N.A.–Belarusian State University,Nezavisimosti Ave., 4, Minsk 220030, Belaruse-mail: poklonski@bsu.by

 

poklonski@bsu.byКовалевА. И.KovalevA. I.

пр-т Независимости, 4, г. Минск 220030

Nezavisimosti Ave., 4, Minsk 220030

УсенкоК. В.UsenkoK. V.

пр-т Независимости, 4, г. Минск 220030

Nezavisimosti Ave., 4, Minsk 220030

ЕрмаковаЕ. А.ErmakovaE. A.

пр-т Независимости, 4, г. Минск 220030; ул. П. Бровки, 4, г. Минск 220072

Nezavisimosti Ave., 4, Minsk 220030; P. Brovki str., 19, Minsk 220072

ГорбачукН. И.GorbachukN. I.

пр-т Независимости, 4, г. Минск 220030

Nezavisimosti Ave., 4, Minsk 220030

ЛастовскийС. Б.LastovskiS. B.

ул. П. Бровки, 4, г. Минск 220072

P. Brovki str., 19, Minsk 220072

Белорусский государственный университетБеларусьBelarusian State UniversityBelarusБелорусский государственный университет; НПЦ НАН Беларуси по материаловедениюБеларусьBelarusian State University; Scientific-Practical Materials Research Centre of NAS of BelarusBelarusНПЦ НАН Беларуси по материаловедениюБеларусьScientific-Practical Materials Research Centre of NAS of BelarusBelarus2023070420231413843Copyright © Поклонский Н.А., Ковалев А.И., Усенко К.В., Ермакова Е.А., Горбачук Н.И., Ластовский С.Б., 20232023Поклонский Н.А., Ковалев А.И., Усенко К.В., Ермакова Е.А., Горбачук Н.И., Ластовский С.Б.Poklonski N.A., Kovalev A.I., Usenko K.V., Ermakova E.A., Gorbachuk N.I., Lastovski S.B.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://pimi.bntu.by/jour/article/view/807

В кремниевой микроэлектронике для создания интегральной индуктивности формируют плоские металлические спирали. Однако максимальная удельная индуктивность таких спиралей на низких частотах ограничена значением порядка десятков микрогенри на квадратный сантиметр. Используются также гираторы – устройства на основе операционных усилителей, примерно с такой же удельной индуктивностью, как и спирали. Несмотря на то, что такие решения внедрены в производство интегральных микросхем, актуальной является задача поиска новых элементов с большими значениями удельной индуктивности. Альтернативой спиралям и гираторам может стать эффект отрицательной дифференциальной ёмкости (т. е. импеданса индуктивного типа), наблюдаемый в барьерных структурах на кремнии.

Цель работы – исследование низкочастотного импеданса диодов Шоттки (Mo/n-Si), содержащих радиационные дефекты, создаваемые α-частицами, и определение параметров этих дефектов методами низкочастотной импедансной спектроскопии и спектроскопии DLTS (Deep Level Transient Spectroscopy).

Исследованы бескорпусные диоды Шоттки 5.5КЭФ-1 (Mo/n-Si) производства ОАО «Интеграл». Измерения индуктивности проводились на исходных диодах и на диодах, облучённых альфа-частицами (максимальная кинетическая энергия α-частицы 5.147 МэВ). В интервале частот переменного тока от 20 Гц до 2 МГц измерен импеданс индуктивного типа диодов при постоянном прямом токе 10 мкА. Для определения параметров радиационных дефектов измерялись спектры DLTS. Показано, что при облучении диодов Шоттки альфа-частицами образуется три типа радиационных дефектов: A-центры с энергией термической активации E1 ≈ 190 мэВ, дивакансии с энергиями активации E2 ≈ 230 мэВ и E3 ≈ 410 мэВ и E-центры с энергией активации E4 ≈ 440 мэВ, отсчитанные от дна c-зоны кремния.

In silicon microelectronics, flat metal spirals are formed to create an integrated inductance. However, the maximum specific inductance of such spirals at low frequencies is limited to a value of the order of tens of microhenries per square centimeter. Gyrators, devices based on operational amplifiers with approximately the same specific inductance as spirals, are also used. Despite the fact that such solutions have been introduced into the production of integrated circuits, the task of searching for new elements with high values of specific inductance is relevant. An alternative to coils and gyrators can be the effect of negative differential capacitance (i.e., inductive type impedance), which is observed in barrier structures based on silicon.

The purpose of the work is to study the low-frequency impedance of Schottky diodes (Mo/n-Si) containing defects induced by α-particles irradiation and determination of the parameters of these defects by methods of low-frequency impedance spectroscopy and DLTS (Deep Level Transient Spectroscopy).

Unpackaged Schottky diodes Mo/n-Si (epitaxial layer of 5.5 μm thickness and resistivity of 1 Ohm∙cm) produced by JSC “Integral” are studied. Inductance measurements were carried out on the as manufactured diodes and on the diodes irradiated with alpha particles (the maximum kinetic energy of an αparticle is 5.147 MeV). The impedance of inductive type of the Schottky diodes at the corresponding DC forward current of 10 µA were measured in the AC frequency range from 20 Hz to 2 MHz. DLTS spectra were used to determine the parameters of radiation-induced defects. It is shown that irradiation of diodes with alpha particles produces three types of radiation-induced defects: A-centers with thermal activation energy of E1 ≈ 190 meV, divacancies with activation energies of E2 ≈ 230 meV and E3 ≈ 410 meV, and Ecenters with activation energy of E4 ≈ 440 meV measured relative to the bottom of c-band of silicon.

диод Шоттки на кремнииотрицательная дифференциальная ёмкостьальфа-облучениеA-центрыE-центрыдивакансииSchottky diode on siliconnegative differential capacitancealpha irradiationA-centersE-centersdivacanciesThis work was supported by the Belarusian National Research Program .Materials Science, New Materials and Technologies.ReferencesZhigal’skii A.A. Proektirovanie i konstruirovanie mikroskhem [Design and construction of microcircuits]. Tomsk, TUSUR Publ., 2007, 195 p.Zhigal’skii A.A. Proektirovanie i konstruirovanie mikroskhem [Design and construction of microcircuits]. Tomsk, TUSUR Publ., 2007, 195 p.Svirid V.L. Proektirovanie analogovykh mikroelektronnykh ustroistv [Design of analog microelectronic devices]. Minsk, BSUIR Publ., 2013, 296 p.Svirid V.L. Proektirovanie analogovykh mikroelektronnykh ustroistv [Design of analog microelectronic devices]. Minsk, BSUIR Publ., 2013, 296 p.Classic circuits. Electronics (50 Years Special Commemorative Issue), 1980, vol. 50, no. 9, pp. 436–442.Classic circuits. Electronics (50 Years Special Commemorative Issue), 1980, vol. 50, no. 9, pp. 436–442.Penin N.A. Negative capacitance in semiconductor structures. Semiconductors, 1996, vol. 30, no. 4, pp. 340–343.Penin N.A. Negative capacitance in semiconductor structures. Semiconductors, 1996, vol. 30, no. 4, pp. 340–343.Poklonski N.A., Shpakovski S.V., Gorbachuk N.I., Lastovskii S.B. Negative capacitance (impedance of the inductive type) of silicon p+–n junctions irradiated with fast electrons. Semiconductors, 2006, vol. 40, no. 7, pp. 803–807. DOI: 10.1134/S1063782606070128Poklonski N.A., Shpakovski S.V., Gorbachuk N.I., Lastovskii S.B. Negative capacitance (impedance of the inductive type) of silicon p+–n junctions irradiated with fast electrons. Semiconductors, 2006, vol. 40, no. 7, pp. 803–807. DOI: 10.1134/S1063782606070128Gorbachuk N.I., Poklonski N.A., Marochkina Ya.N., Shpakovski S.V. Effect of hole extraction from the base region of a silicon p–n–p transistor on its reactive impedance. Devices and Methods of Measurements, 2019, vol. 10, no. 4, pp. 322–330 (in Russian). DOI: 10.21122/2220-9506-2019-10-4-322-330Gorbachuk N.I., Poklonski N.A., Marochkina Ya.N., Shpakovski S.V. Effect of hole extraction from the base region of a silicon p–n–p transistor on its reactive impedance. Devices and Methods of Measurements, 2019, vol. 10, no. 4, pp. 322–330 (in Russian). DOI: 10.21122/2220-9506-2019-10-4-322-330Bochkareva N.I., Voronenkov V.V., Gorbunov R.I., Virko M.V., Kogotkov V.S., Leonidov A.A., VorontsovVelyaminov P.N., Sheremet I.A., Shreter Yu.G. Hopping conductivity and dielectric relaxation in Schottky barriers on GaN. Semiconductors, 2017, vol. 51, no. 9, pp. 1186– 1193. DOI: 10.1134/S1063782617090068Bochkareva N.I., Voronenkov V.V., Gorbunov R.I., Virko M.V., Kogotkov V.S., Leonidov A.A., VorontsovVelyaminov P.N., Sheremet I.A., Shreter Yu.G. Hopping conductivity and dielectric relaxation in Schottky barriers on GaN. Semiconductors, 2017, vol. 51, no. 9, pp. 1186– 1193. DOI: 10.1134/S1063782617090068Poklonski N.A., Gorbachuk N.I., Lapchuk N.M. Fizika elektricheskogo kontakta metall/poluprovodnik [Physics of electrical contact metal/semiconductor]. Minsk, BSU Publ., 2003, 52 p.Poklonski N.A., Gorbachuk N.I., Lapchuk N.M. Fizika elektricheskogo kontakta metall/poluprovodnik [Physics of electrical contact metal/semiconductor]. Minsk, BSU Publ., 2003, 52 p.Poklonski N.A., Gorbachuk N.I., Shpakovski S.V., Lastovskii S.B., Wieck A. Equivalent circuit of silicon diodes subjected to high-fluence electron irradiation. Technical Physics, 2010, vol. 55, no. 10, pp. 1463–1471. DOI: 10.1134/S1063784210100117Poklonski N.A., Gorbachuk N.I., Shpakovski S.V., Lastovskii S.B., Wieck A. Equivalent circuit of silicon diodes subjected to high-fluence electron irradiation. Technical Physics, 2010, vol. 55, no. 10, pp. 1463–1471. DOI: 10.1134/S1063784210100117Tooley M. Electronic Circuits: Fundamentals and Applications. London, Routledge, 2020, xii+510 p. DOI: 10.1201/9780367822651Tooley M. Electronic Circuits: Fundamentals and Applications. London, Routledge, 2020, xii+510 p. DOI: 10.1201/9780367822651Poklonski N.A., Gorbachuk N.I. Osnovy impedansnoi spektroskopii kompozitov [Fundamentals of impedance spectroscopy of composites]. Minsk, BSU Publ., 2005, 130 p.Poklonski N.A., Gorbachuk N.I. Osnovy impedansnoi spektroskopii kompozitov [Fundamentals of impedance spectroscopy of composites]. Minsk, BSU Publ., 2005, 130 p.Ng K.K. Complete Guide to Semiconductor Devices. New York, Wiley-IEEE Press, 2002, xxiv+740 p.Ng K.K. Complete Guide to Semiconductor Devices. New York, Wiley-IEEE Press, 2002, xxiv+740 p.Lang D.V. Deep-level transient spectroscopy: A new method to characterize traps in semiconductors. J. Appl. Phys., 1974, vol. 45, no. 7, pp. 3023–3032. DOI: 10.1063/1.1663719Lang D.V. Deep-level transient spectroscopy: A new method to characterize traps in semiconductors. J. Appl. Phys., 1974, vol. 45, no. 7, pp. 3023–3032. DOI: 10.1063/1.1663719Vavilov V.S., Kekelidze N.P., Smirnov L.S. Deistvie izluchenii na poluprovodniki [Effect of radiation on semiconductors]. Moscow, Nauka Publ., 1988, 192 p.Vavilov V.S., Kekelidze N.P., Smirnov L.S. Deistvie izluchenii na poluprovodniki [Effect of radiation on semiconductors]. Moscow, Nauka Publ., 1988, 192 p.Bourgoin J., Lannoo M. Point Defects in Semiconductors II. Experimental Aspects. Berlin, Springer, 1983, xvi+295 p. DOI: 10.1007/978-3-642-81832-5Bourgoin J., Lannoo M. Point Defects in Semiconductors II. Experimental Aspects. Berlin, Springer, 1983, xvi+295 p. DOI: 10.1007/978-3-642-81832-5Dedovich H.H., Kuzminykh V.A., Lazarchik A.N., Lomako V.M., Pranovich V.I., Romanov A.F. [Digital capacitance spectrometer CE-6]. Materials and Structures of Modern Electronics: Proc. of III Int. Sci. Conf., Minsk, 25–26 Sep., 2008, ed. V.B. Odzhaev (ed.-in-chief) et al., Minsk, BSU Publ., 2008., pp. 16–19 (in Russian).Dedovich H.H., Kuzminykh V.A., Lazarchik A.N., Lomako V.M., Pranovich V.I., Romanov A.F. [Digital capacitance spectrometer CE-6]. Materials and Structures of Modern Electronics: Proc. of III Int. Sci. Conf., Minsk, 25–26 Sep., 2008, ed. V.B. Odzhaev (ed.-in-chief) et al., Minsk, BSU Publ., 2008., pp. 16–19 (in Russian).Kozlov V.A., Kozlovskii V.V. Doping of semiconductors using radiation defects produced by irradiation with protons and alpha particles. Semiconductors, 2001, vol. 35, no. 7, pp. 735–761 DOI: 10.1134/1.1385708Kozlov V.A., Kozlovskii V.V. Doping of semiconductors using radiation defects produced by irradiation with protons and alpha particles. Semiconductors, 2001, vol. 35, no. 7, pp. 735–761 DOI: 10.1134/1.1385708

The authors declare that there are no conflicts of interest present.