Анализ физических причин необратимых отказов полупроводниковых структур при воздействии ЭМИ позволяет сделать вывод о весьма сложном процессе их деградации, в котором преобладающее влияние оказывает тепловой механизм отказов. Для p-n-переходов этапы этого процесса можно кратко записать в виде: ЭМИ – наведённые помехи – изменение протекающего тока – электрический (лавинный) пробой – тепловой пробой – выгорание. Тепловому пробою обычно предшествует электрический пробой, но для широких переходов тепловой пробой может наступить, минуя электрический.

Особенно легко стимулируется тепловой пробой обратно смещённых p-n-переходов. Замечено, что энергия, необходимая для инициирования теплового пробоя, намного меньше в случае быстро нарастающих импульсов. Если же ток в данной цепи достаточно ограничен, то характеристики ПС восстанавливаются без электрической деградации. В результате наблюдаются дефекты плавления шины металлизации за счёт объёмного теплового пробоя, а также дефекты из-за пробоя диэлектрика, находящегося между токопроводящими дорожками. В данном случае механизм пробоя – лавина и последующий разогрев тонкой области металлизации до температуры плавления. При этом происходит локальная ломка на границе полупроводник-контактная дорожка. Под действием СВЧ-облучения происходит катастрофический скрытый пробой, ведущий к разрыву одной из подокисных шин металлизации, вследствие чего ПС выходит из строя.

Как показывают исследования физической сущности отказов в ПС при действии ЭМИ, резкий рост входного тока и напряжения вызывает выделение избыточной мощности в локальных объёмах кристалла (рис. 1). Это  приводит к возникновению в полупроводниковом кристалле достаточно больших перепадов температур в ограниченной области вследствие нагрева Джоуля, что и приводит к пробоям p-n-переходов, среди которых доминирует тепловой. Перепады температур на некоторых участках полупроводникового кристалла иногда могут достигать нескольких сотен градусов.

Наибольшая их величина вероятна в области именно p-n-переходов. Экспериментальные исследования показывают, что вначале происходит нестационарный разогрев области перехода вследствие электрического пробоя,  в результате чего преимущественно на дефектах зарождаются участки возможного теплового пробоя – мезоплазмы. Сами по себе эти образования не приводят к обширному плавлению перехода, и при снятии нагрузки переход часто сохраняет свои свойства [1, 2]. Однако время жизни мезоплазм составляет около 10^-12…10^-6 с. Поэтому дальнейшее воздействие ЭМИ вызывает рост числа мезоплазм, которые затем соединяются в более крупное образование – микроплазму. Микроплазменное состояние участка перехода уже непосредственно создаёт предпосылки к его тепловому пробою. Именно поэтому считается, что ЭМИ обуславливает так называемый вторичный пробой ПС (сначала первичный электрический пробой, а затем вторичный тепловой пробой).

Рис. 1 – Увеличение плотности протекающего через ПС тока при ЭМИ и соответствующий

ему резкий рост локальной температуры нагрева

Большие градиенты температуры в небольшом объёме полупроводника обусловлены прежде всего короткой продолжительностью действия ЭМИ и малыми размерами элементов ПС. Опыты указывают на возникновение тепловых градиентов в полупроводнике уже при ЭМИ длительностью менее 10^-3 с и энергией от 5 мкДж. При импульсах более продолжительного времени действия может восстановиться тепловое равновесие, и, хотя и нарушается обычный режим работы прибора, это, как правило, не приводит к необратимым отказам. При очень кратковременных импульсах (<10^-12 c) ПС обычно не получает достаточного количества энергии для возникновения больших перепадов температур.

Другим возможным проявлением тепловых процессов деградации после воздействия ЭМИ является нагрев металлизации и контактных областей, вследствие чего происходят миграционные процессы и плавление (рис. 2) [1, 2].

Рис. 2.− Разрушение контактной металлизации ПС при импульсном нагреве вследствие ЭМИ

С точки зрения выходных характеристик эти процессы также относят к тепловому пробою ПС. Деградационные  процессы металлизации ПС при ЭМИ обычно являются следствием воздействия многократных импульсов. Даже малые локализованные взаимодействия на контактах приборов вследствие ЭМИ опасны для работоспособности полупроводниковых структур. Поэтому одним из методов обнаружения подобных дефектов на ранней стадии для прогнозирования возможного отказа прибора вследствие выгорания является анализ обратных ВАХ приборов.

В целом, обобщая возможные процессы деградации ПС при воздействии мощных ЭМИ, можно сказать, что проявление различных видов отказов обычно происходит комплексно, часто последовательно друг за другом без видимой границы между механизмами отказов.

Список использованных источников:

1. Алексеев, В.Ф. Тепловые модели отказов полупроводниковых структур при воздействии мощных электромагнитных импульсов / В.Ф. Алексеев, В.И. Журавлёв // Доклады БГУИР. – 2005. – № 3-4. – С. 65–72.

2. Alexeev, V.F. Modeling of non-stationary heating of semiconductor structures under HEMP actions with short pulse duration / V.F. Alexeev and V.I. Zhuravliov // IEEE Transactions on Device and Materials Reliability. – 2006. – Vol. 6, № 3. –      P.  595–601.

Авторы:

Бужинский А. Д.

 Алексеев В. Ф. – канд. техн. наук, доцент

Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники