CN103217638A - 测试γ辐照后GaAs HBT器件性能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测试γ辐照后GaAs HBT器件性能的方法，主要解决现有方法的实验复杂，难度大，耗时长，不具有普遍性的问题。其实现步骤为：1）用ADS软件分析电路，确定器件的敏感参数；2）辐照前器件测试；3）对器件进行辐照实验；4）辐照后器件测试；5）对比实验前后器件性能及数据的差异，改变GaAs HBT器件等效电路中的参数，建立辐照后GaAs HBT器件的新等效电路。6）将这个新的等效电路嵌入回射频集成电路仿真软件ADS的GaAs HBT器件模型库中，以实现使用计算机对GaAs HBT器件以及由该器件组成的电路进行抗辐照特性分析,提高辐照实验的通用性，减小辐照实验对人体的危害。

Description

测试γ辐照后GaAs HBT器件性能的方法

技术领域

本发明属于微电子技术领域，具体的说是一种测试器件的等效电路，由该方法建立的GaAs HBT的等效电路可用于搭建电路，对实际电路进行仿真。

背景技术

砷化镓异质结晶体管GaAs HBT是现代半导体集成电路中所采用的器件之一。特别在射频集成电路设计中，该器件有广泛的应用。如图1所示，现在常见的GaAs HBT的结构由上至下依次为发射极，N⁺冒层，N^-铟镓磷InGaP发射区，p⁺砷化镓GaAs基区，n^-砷化镓GaAs集电区，n⁺次集电极区，半绝缘衬底。该结构的发射区和基区主要由铟镓磷/砷化镓异质结构成，因此GaAs HBT可以得到很大的电流增益，只要增益满足条件，可以在增益与其它性能之间进行折中，例如，可以增大基区掺杂，从而减小基区电阻提高最大频率f_max和厄利电压，减小大电流效应。图2为该GaAs HBT的等效电路图。

辐射是造成航天电子设备异常或故障的重要原因，国内外对航天故障的统计显示：40%左右的故障来自太空辐射。因此电路的抗辐射技术是保障航天电子设备可靠长寿命的关键技术，是航天电子领域研究的中的重点和热点。随着砷化镓器件在航天器中的应用越来越多，对砷化镓器件进行抗辐照特性研究也越来越重要。

目前国内对半导体集成电路辐照研究的方法是将已封装的电路进行辐照实验，试验方法是按照美国军标883D方法1019.4规定“电离辐射试验程序”进行的，然后使用电学仪器测量半导体集成电路的电流电压等参数来分析辐照对电路的影响。这种方法的不足之处是，辐照实验是针对一个由GaAs HBT器件构成的整体电路进行，辐照后实验分析也是对特定的整体电路进行，如果要对另一种同样由GaAs HBT构成的特定电路进行抗辐照特性的研究，则要再次进行实验。由于需要分析的电路种类过多，则要做很多的实验，然而国内能够提供辐射源的机构少，每年只能提供几十个小时的实验时间，并且辐照实验对人体有害，所以这种方法的复杂性大，不具有普遍性，也不利于对辐照的影响进行机理分析。

发明内容

本发明主要目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种测试γ辐照后GaAs HBT器件性能的方法，将这种器件的等效电路嵌入回射频集成电路仿真软件ADS的GaAs HBT器件模型库中，以实现对任意一种由该器件组成的电路进行抗辐照特性分析,提高辐照实验的通用性，减小辐照实验对人体的危害。

为了实现上述目的，本发明的实现步骤包括：

（1）辐照前器件分析：用安捷伦射频仿真软件ADS进行模拟仿真，确定GaAs HBT等效电路的敏感参数；

（2）辐照前器件测试：用直流电源、网络分析仪测试GaAs HBT辐照前的直流特性参数测试和频率特性参数测试，包括基极电流非理想系数I_BEN1，基极电流非理想因子N_EN1和正向渡越时间TF₁；

（3）电离辐照试验：在钴源控制系统模拟空间环境下对n个GaAs HBT器件进行剂量率为50rad/s的γ辐照试验，n大于等于4；

（4）辐照后器件测试：用直流电源、网络分析仪测试GaAs HBT辐照后的直流特性参数测试和频率特性参数测试，包括基极电流非理想系数I_BEN2，基极电流非理想因子N_EN2和正向渡越时间TF₂，并记录下各辐照总剂量条件下的数值；

（5）根据辐照前后直流特性参数，将GaAs HBT器件等效电路中的基极电流计算公式改变为：

$I_{\mathrm{be}}=I_{\mathrm{BEI}}(\exp \left(\frac{V_{\mathrm{bei}}}{N_{\mathrm{EI}}{V}_{\mathrm{tv}}}\right)-1)+(I_{\mathrm{BEN}}+{\mathrm{\ΔI}}_{\mathrm{BEN}})(\exp \left(\frac{V_{\mathrm{bei}}}{(N_{\mathrm{EN}}+\mathrm{\Δ}{N}_{\mathrm{EN}})V_{\mathrm{tv}}}\right)-1),$

其中，I_BEI是GaAs HBT器件的基极电流理想系数，N_EI是GaAs HBT器件基极电流理想因子，I_BEN是GaAs HBT器件的基极电流非理想系数，ΔI_BEN为基极电流非理想系数I_BEN的增量ΔI_BEN=I_BEN2-I_BEN1，I_BEN1为辐照前基极电流理想系数，I_BEN2为辐照后基极电流理想系数。ΔN_EN为基极电流非理想因子，ΔN_EN=N_EN2-N_EN1，N_EN1为辐照前基极电流非理想因子，N_EN2为辐照后基极电流非理想因子，N_EN是GaAs HBT器件基极电流非理想因子，V_tv=k₀T/q是GaAs HBT器件在300K时的热电压，k₀为波尔兹曼常数，T为温度，q为电荷量，V_bei是GaAs HBT器件的发射结电压；

（6）根据辐照前后频率特性参数，将GaAs HBT等效电路中的渡越时间计算公式改变为：

${\mathrm{\τ}}_F=(\mathrm{TF}+\mathrm{\ΔTF})\·(1+X_{\mathrm{TF}}\frac{\mathrm{IF}}{\mathrm{IF}+I_{\mathrm{TF}}}),$

其中，TF为GaAs HBT器件正向渡越时间，ΔTF为正向渡越时间TF的增量，ΔTF=TF₂-TF₁，TF₁为辐照前的渡越时间，TF₂为辐照后的渡越时间，X_TF为GaAs HBT器件正向渡越时间的偏置系数，IF为正向电流，I_TF为GaAs HBT器件正向渡越时间的电流系数；

（7）将修改后的渡越时间计算公式和修改后的基极电流计算公式带入到安捷伦ADS软件中的GaAs HBT等效电路中，并用该ADS软件仿真出γ辐照后的GaAs HBT器件等效电路的基极电流I_B＇和截止频率f_T＇，再将该仿真结果与实验后测试得到的基极电流I_B和截止频率f_T的数据进行对比，如果仿真得到的数值与实验后得到的数值相近，则直接用辐照后GaAs HBT器件的等效电路替代ADS软件中原有的GaAs HBT的等效电路，以实现使用计算机对GaAs HBT器件以及由GaAs HBT器件组成的电路的进行抗辐照特性分析，无需再做实验。

本发明优点

第一，本发明由于在原有GaAs HBT等效电路中加入了γ辐照因子，克服了现有实验方法中实验源和剂量率单一的缺点，使得只要修改公式中的γ辐照因子，就可以对不同实验源和剂量率的辐照效应进行分析。

第二，本发明使用安捷伦射频集成电路仿真软件ADS建立γ辐照后的GaAs HBT器件等效电路，来分析γ辐照对GaAs HBT组成的电路的影响，克服了现有实验方法的复杂和危害性大的问题，使得在计算机前就可完成器件或电路的抗辐照性能分析。

附图说明

图1是现有GaAs HBT的结构图；

图2是现有GaAs HBT等效电路图；

图3是本发明的流程图。

具体实施方式

如图3所示，电路总剂量辐照试验方法的具体步骤如下进行：

步骤1，辐照前电路分析。

用ADS软件对GaAs HBT器件进行模拟仿真，确定其的等效电路的敏感参数，该参数包括基极电流非理想系数I_BEN、发射结非理想发射系数N_EN、基极电流理想系数I_BEI、发射结理想发射系数N_EI、反向电流I_S、正向发射系数NF、发射极电阻R_E、集电极电阻R_C、发射结电容C_JE、集电结电容C_JC、正向渡越时间TF、正向渡越时间偏置系数X_TF、正向渡越时间电压系数V_TF、正向渡越时间电流系数I_TF、发射结电容C_BEO和集电结电容C_BCO。

步骤2，GaAs HBT器件样品的选择。

本发明所用的GaAs HBT器件是文茂半导体公司提供的1μm GaAs HBT器件，型号为Q1H201B1，其直流增益β标准值约为150，截止频率f_T标准值约为60GHz。用直流电源、信号发生器和频谱仪测量12个该型号样品的直流增益β和截止频率f_T，并选中其中结果最接近标准值的4个器件作为试验样品。

步骤3，辐照前器件测试。

用直流电源、网络分析仪和频谱仪对选中的GaAs HBT器件进行直流特性测试和频率特性测试。

直流特性测试包括共射电流输出特性测试和正反向古摩尔Gummel特性测试，得到直流特性参数基极电流非理想系数I_BEN、发射结非理想发射系数N_EN、基极电流理想系数I_BEI、发射结理想发射系数N_EI。

频率特性测试包括集电极开路测试、结电容测试和不同工作点下的S参数测试，得到频率特性参数正向渡越时间TF、正向渡越时间的偏置系数X_TF、正向渡越时间的电压系数V_TF、正向渡越时间的电流系数I_TF、发射结电容C_BEO和集电结电容C_BCO。

步骤4，电路辐照试验。

4.1）将选中的4个GaAs HBT器件样品分别插在辐照板上，辐照板置于钴源周围，使γ射线照射方向与辐照板上样品垂直，接受剂量率为50rad/s的γ射线辐照，该剂量率是根据美国军标883D方法1019.4电离辐射总剂量试验规定而确定的。

4.2）为了进行对比分析，对4个GaAs HBT器件施加辐照的总剂量分别为：1Mrad、3Mrad、7Mrad、10Mrad，用总剂量除以设置好的剂量率50rad/s，得出4个GaAs HBT器件的累积辐照时间分别为5.5h、16.5h、38.5h、55h；

4.3）辐照过程操作

当累积辐照时间达到5.5h时，断开电源10min，取出第一个GaAs HBT器件，该器件接受辐照的总剂量为5.5h×50rad/s，即1Mrad；

再次启动试验系统，继续进行辐照试验，当累积辐照时间达到16.5h时，断开电源10min，取出第二个GaAs HBT器件，该器件接受辐照的总剂量为16.5h×50rad/s，即3Mrad；

再次启动试验系统，继续进行辐照试验，当累积辐照时间达到38.5h时，断开电源10min，取出第三个GaAs HBT器件，该器件接受辐照的总剂量为38.5h×50rad/s，即7Mrad；

再次启动试验系统，继续进行辐照试验，当累积辐照时间达到55h时，取出最后一个GaAs HBT器件，该器件接受辐照的总剂量为55h×50rad/s，即10Mrad；

关闭试验系统，本次试验一共耗时55h30min。

本步骤的实验需要是在北京大学化学学院使用钴源控制系统模拟空间环境下进行的，该实验系统在国内仅有的几家钴源控制系统较为先进，且由于实验耗时长，钴源有限，费用较高，所以能够进行实验的机会比较少。

步骤5，辐照后器件测试。

辐照实验完成两小时内，用直流电源、网络分析仪和频谱仪对辐照后的GaAsHBT器件进行直流特性测试和频率特性测试。

所述直流特性测试，包括共射电流输出特性测试和正反向古摩尔Gummel特性测试，得到基极电流I_B以及直流特性参数基极电流非理想系数I_BEN、发射结非理想发射系数N_EN、基极电流理想系数I_BEI、发射结理想发射系数N_EI；

所述频率特性测试，包括集电极开路测试、结电容测试和不同工作点下的S参数测试，得到截止频率f_T以及频率特性参数正向渡越时间TF、正向渡越时间的偏置系数X_TF、正向渡越时间的电压系数V_TF、正向渡越时间的电流系数I_TF、发射结电容C_BEO和集电结电容C_BCO；

将测试的辐照后器件的参数与辐照前的器件的参数进行对比，得到辐照后有变化的参数为：基极电流非理想系数I_BEN，发射结非理想发射系数N_EN，正向渡越时间TF；

步骤6，辐照后器件分析。

通过对器件辐照前后器件基极电流I_B和截止频率f_T变化的理论分析，改变等效电路中的直流特性参数基极电流非理想系数I_BEN和发射结非理想发射系数N_EN，频率特性参数渡越时间TF，建立辐照后电路的新等效电路。

步骤7，软件分析。

用辐照后电路的新等效电路代替安捷伦射频集成电路设计软件ADS中的GaAs HBT等效电路，并用该ADS软件仿真出γ辐照后的GaAs HBT器件等效电路的基极电流I_B＇和截止频率f_T＇，再将该仿真结果与实验后测试得到的基极电流I_B和截止频率f_T的数据进行对比，若得到的仿真结果与辐照后器件实验测试的结果接近，则在以后研究GaAs HBT器件以及由GaAs HBT器件组成的电路的抗γ辐照特性时，可以直接将这个γ辐照后的GaAs HBT器件等效电路带入到ADS软件代替原有GaAs HBT器件等效电路，并可以通过改变GaAs HBT器件等效电路公式中的基极电流非理想系数I_BEN的增量ΔI_BEN，发射结非理想发射系数增量ΔN_EN和渡越时间TF的增量ΔTF来实现想要达到的辐照总剂量，从而实现使用计算机对GaAs HBT器件以及由GaAs HBT器件组成的电路进行辐照分析，无需再做实验。

Claims (7)

1.一种测试γ辐照后GaAs HBT器件性能的方法，包括如下步骤：

（1）辐照前器件分析：用安捷伦射频仿真软件ADS进行模拟仿真，确定GaAs HBT等效电路的敏感参数；

（2）辐照前器件测试：用直流电源、网络分析仪测试GaAs HBT辐照前的直流特性参数测试和频率特性参数测试，包括基极电流非理想系数I_BEN1，发射结非理想发射系数N_EN1和正向渡越时间TF₁；

（3）电离辐照试验：在钴源控制系统模拟空间环境下对n个GaAs HBT器件进行剂量率为50rad/s的γ辐照试验，n大于等于4；

（4）辐照后器件测试：用直流电源、网络分析仪测试GaAs HBT辐照后的直流特性参数测试和频率特性参数测试，包括基极电流非理想系数I_BEN2，发射结非理想发射系数N_EN2和正向渡越时间TF₂，并记录下各辐照总剂量条件下的数值；

（5）根据辐照前后直流特性参数，将GaAs HBT器件等效电路中的基极电流计算公式改变为：

$I_{\mathrm{be}}=I_{\mathrm{BEI}}(\exp \left(\frac{V_{\mathrm{bei}}}{N_{\mathrm{EI}}{V}_{\mathrm{tv}}}\right)-1)+(I_{\mathrm{BEN}}+\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{BEN}})\left(\exp \right(\frac{V_{\mathrm{bei}}}{(N_{\mathrm{EN}}+\mathrm{\Δ}{N}_{\mathrm{EN}})V_{\mathrm{tv}}})-1),$

其中，I_BEI是GaAs HBT器件的基极电流理想系数，N_EI是GaAs HBT器件发射结理想发射系数，I_BEN是GaAs HBT器件的基极电流非理想系数，ΔI_BEN为基极电流非理想系数I_BEN的增量ΔI_BEN=I_BEN2-I_BEN1，I_BEN1为辐照前基极电流理想系数，I_BEN2为辐照后基极电流理想系数。ΔN_EN为发射结非理想发射系数，ΔN_EN=N_EN2-N_EN1，N_EN1为辐照前发射结非理想发射系数，N_EN2为辐照后发射结非理想发射系数，N_EN是GaAs HBT器件发射结非理想发射系数，V_tv=k₀T/q是GaAs HBT器件在300K时的热电压，k₀为波尔兹曼常数，T为温度，q为电荷量，V_bei是GaAs HBT器件的发射结电压；

（6）根据辐照前后频率特性参数，将GaAs HBT等效电路中的渡越时间计算公式改变为：

${\mathrm{\τ}}_F=(\mathrm{TF}+\mathrm{\ΔTF})\·(1+X_{\mathrm{TF}}\frac{\mathrm{IF}}{\mathrm{IF}+I_{\mathrm{TF}}}),$

其中，TF为GaAs HBT器件正向渡越时间，ΔTF为正向渡越时间TF的增量，ΔTF=TF₂-TF₁，TF₁为辐照前的渡越时间，TF₂为辐照后的渡越时间，X_TF为GaAs HBT器件正向渡越时间的偏置系数，IF为正向电流，I_TF为GaAs HBT器件正向渡越时间的电流系数；

（7）将修改后的渡越时间计算公式和修改后的基极电流计算公式带入到安捷伦ADS软件中的GaAs HBT等效电路中，并用该ADS软件仿真出γ辐照后的GaAs HBT器件等效电路的基极电流I_B＇和截止频率f_T＇，再将该仿真结果与实验后测试得到的基极电流I_B和截止频率f_T的数据进行对比，如果仿真得到的数值与实验后得到的数值相近，则直接用辐照后GaAs HBT器件的等效电路替代ADS软件中原有的GaAs HBT的等效电路，以实现使用计算机对GaAs HBT器件以及由GaAs HBT器件组成的电路的进行抗辐照特性分析，无需再做实验。

2.根据权利要求1所述的测试γ辐照后GaAs HBT器件性能的方法，其特征在于步骤（1）中的敏感参数包括：基极电流非理想系数I_BEN、发射结非理想发射系数N_EN、基极电流理想系数I_BEI、发射结理想发射系数N_EI、反向电流I_S、正向发射系数NF、发射极电阻R_E、集电极电阻R_C、发射结电容C_JE、集电结电容C_JC、正向渡越时间TF、正向渡越时间偏置系数X_TF、正向渡越时间电压系数V_TF、正向渡越时间电流系数I_TF、发射结电容C_BEO和集电结电容C_BCO。

3.根据权利要求1所述测试γ辐照后GaAs HBT器件性能的方法，其特征在于所述步骤（3）在钴源控制系统模拟空间环境下对GaAs HBT器件进行剂量率为50rad/s的γ辐照试验，以4个GaAs HBT器件为例，其步骤如下：

3.1）将选中的4个GaAs HBT器件样品分别插在辐照板上，辐照板置于钴源周围，使γ射线照射方向与辐照板上样品垂直，接受剂量率为50rad/s的γ射线辐照；

3.2）对4个GaAs HBT器件施加辐照的总剂量分别为：1Mrad、3Mrad、7Mrad、10Mrad，用总剂量除以设置好的剂量率50rad/s，得出4个GaAs HBT器件的累积辐照时间分别为5.5h、16.5h、38.5h、55h；

3.3）辐照过程操作

当累积辐照时间达到5.5h时，断开电源10min，取出第一个GaAs HBT器件，该器件接受辐照的总剂量为5.5h×50rad/s，即1Mrad；

再次启动试验系统，继续进行辐照试验，当累积辐照时间达到16.5h时，断开电源10min，取出第二个GaAs HBT器件，该器件接受辐照的总剂量为16.5h×50rad/s，即3Mrad；

再次启动试验系统，继续进行辐照试验，当累积辐照时间达到38.5h时，断开电源10min，取出第三个GaAs HBT器件，该器件接受辐照的总剂量为38.5h×50rad/s，即7Mrad；

再次启动试验系统，继续进行辐照试验，当累积辐照时间达到55h时，取出最后一个GaAs HBT器件，该器件接受辐照的总剂量为55h×50rad/s，即10Mrad；

关闭试验系统。

4.根据权利要求1所述测试γ辐照后GaAs HBT器件性能的方法，其特征在于所述步骤（4）中直流特性测试包括：共射电流输出特性测试和正反向古摩尔Gummel特性测试。

5.根据权利要求1所述测试γ辐照后GaAs HBT器件性能的方法，其特征在于所述步骤（4）中频率特性测试包括：集电极开路测试、结电容测试和不同工作点下的S参数测试。

6.根据权利要求1所述测试γ辐照后GaAs HBT器件性能的方法，其特征在于所述步骤（5）中的辐照后直流特性参数，包括基极电流非理想系数I_BEN、积极电流理想系数I_BEI、发射结非理想发射系数N_EN和发射结理想发射系数N_EI。

7.根据权利要求1所述测试γ辐照后GaAs HBT器件性能的方法，其特征在于所述步骤（6）中的辐照后频率特性参数，包括正向渡越时间TF、正向渡越时间的偏置系数X_TF、正向渡越时间的电压系数V_TF、正向渡越时间的电流系数I_TF、发射结电容C_BEO和集电结电容C_BCO。

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