CN103868973A - 一种基于深能级瞬态谱技术的双极型器件电离辐射损伤缺陷检测方法 - Google Patents

Abstract

一种基于深能级瞬态谱技术的双极型器件电离辐射损伤缺陷检测方法，属于电子技术领域。解决了现有双极型晶体管的电离辐射损伤缺陷无法定量化的问题。它的过程为：首先，将双极型器件安装到深能级瞬态谱仪低温测试台上，保证双极型器件与深能级瞬态谱仪低温测试台紧密连接，并将双极型器件基极与集电极分别与深能级瞬态谱仪的高、低测试接头相连；其次，设置测试参数，该参数包括反向偏压V_R、脉冲电压V_P、测试周期T_W、脉冲宽度T_P及温度扫描范围，获得氧化物电荷和界面态的DLTS信号峰所对应的温度、峰高及峰的半高宽，最后，根据DLTS信号峰所对应的温度、峰高及峰的半高宽获得双极型器件电离辐射损伤缺陷。应用在缺陷检测领域。

Description

一种基于深能级瞬态谱技术的双极型器件电离辐射损伤缺陷检测方法

技术领域

本发明属于电子技术领域。

背景技术

双极晶体管(BJT，Bipolar Junction Transistor)具有优良的电流驱动能力、噪声特性、线性度及匹配特性等优点，在模拟、混合集成电路和BiCMOS(Bipolar ComplementaryMetal Oxide Semiconductor)电路等多种电子电路中有着重要的应用，是航天器上广泛应用的重要电子器件。在空间辐射环境中，高能带电粒子穿过航天器外部防护结构，会对舱内的电子元器件产生多种空间辐射效应，其中最为重要的辐射效应是电离辐射效应。

电离辐射效应主要是对双极晶体管的钝化层(SiO₂)造成损伤，产生氧化物俘获正电荷，以及在Si/SiO₂界面处生成界面态，使得双极晶体管的电性能参数发生退化。然而，现有的缺陷分析方法，如栅极扫描、亚阈值扫描、中带电压法和电荷抽运技术等，只能针对具有栅极的器件，如MOS和GLPNP型器件进行测量，难以针对常规双极晶体管的氧化物俘获正电荷和界面态进行定量分析，尚无法从电离辐射缺陷行为角度来研究双极晶体管的电离辐射损伤机理。这在很大程度上制约了人们对双极晶体管空间辐射损伤机理的认识，也不利于对双极晶体管在轨服役行为进行量化表征和寿命预测。因此，有必要提出一种针对双极晶体管的电离辐射缺陷进行量化表征的方法，这种方法对于揭示双极晶体管电离辐射缺陷演化规律及微观物理机制具有重要的意义。

深能级瞬态谱(DLTS)是一种检测出半导体器件中缺陷的能级、缺陷浓度和俘获截面等诸多信息的方法，但主要应用于半导体材料及简单结构的晶体缺陷研究，尚未应用于电子元器件的电离辐射损伤方面研究。本发明基于DLTS分析手段，在辐照前后，定量分析测试研究双极晶体管内部氧化物俘获正电荷和界面态密度。本项目的研究成果对于研制新型抗辐照双极器件、优化航天器的选材设计及提高航天器的在轨服役可靠性，都具有重大的意义。

发明内容

本发明是为了解决现有双极型晶体管的电离辐射损伤缺陷无法定量化的问题，本发明提供了一种基于深能级瞬态谱技术的双极型器件电离辐射损伤缺陷检测方法。

一种基于深能级瞬态谱技术的双极型器件电离辐射损伤缺陷检测方法，该方法的具体过程为：

第一步，针对双极型器件进行电离辐射试验，将双极型器件安装到深能级瞬态谱仪的低温测试台上，保证双极型器件与深能级瞬态谱仪的低温测试台紧密连接，并将双极型器件的基极与集电极分别与深能级瞬态谱仪的高、低测试接头相连；

第二步，设置测试参数，该参数包括反向偏压V_R、脉冲电压V_P、测试周期T_W、脉冲宽度T_P及温度扫描范围，并保证反向偏压V_R为-20V到+20V、脉冲电压V_P为-3V到+3V、测试周期T_W为2ms到200s、脉冲宽度T_P为2ms到2s、温度扫描范围为50K到350K，获得氧化物电荷的DLTS信号峰所对应的温度、峰高及峰的半高宽和界面态的DLTS信号峰所对应的温度、峰高及峰半高宽；

第三步，根据第二步获得的氧化物电荷的DLTS信号峰所对应的温度、峰高及峰的半高宽和界面态的DLTS信号峰所对应的温度、峰高及峰半高宽获得双极型器件电离辐射损伤缺陷。

所述双极型器件电离辐射损伤缺陷为缺陷浓度，所述缺陷浓度包括双极型器件氧化物电荷的缺陷浓度和界面态的缺陷浓度，其中：双极型器件氧化物电荷的缺陷浓度为

$N_{T1}={2N}_D\frac{{\mathrm{\ΔC}}_1}{C_{R1}}$     （公式一），

其中，ΔC₁为氧化物电荷的DLTS信号峰的峰高，C_R1表示氧化物电荷DLTS信号峰的峰高对应温度下的反向电容，N_D表示器件中所测试区域的掺杂浓度；

所述双极型器件的界面态的缺陷浓度为：

$N_{T2}={2N}_D\frac{{\mathrm{\ΔC}}_2}{C_{R2}}$     （公式二）；

ΔC₂为界面态的DLTS信号峰的峰高，C_R2表示界面态DLTS信号峰的峰高对应温度下的反向电容。

所述双极型器件电离辐射损伤缺陷为缺陷能级，所述缺陷能级包括双极型器件氧化物电荷的缺陷能级和界面态的缺陷能级，其中：双极型器件氧化物电荷的缺陷能级为

E_T1=f(T_W)T₁    （公式三），

其中，f(T_W)表示缺陷能级因数，T₁为氧化物电荷的DLTS信号峰所对应的温度，

所述的双极型器件界面态的缺陷能级为

E_T2=f(T_W)T₂    （公式四）；

T₂表示界面态的DLTS信号峰所对应的温度。

所述双极型器件电离辐射损伤缺陷为俘获截面，所述俘获截面包括双极型器件氧化物电荷的俘获截面和界面态的俘获截面，其中：双极型器件氧化物电荷的俘获截面为

${\mathrm{\σ}}_{n1}=f\left(T_P\right)\frac{A_1}{2}$     （公式五）；

其中，f(T_P)表示俘获截面因数，A₁表示氧化物电荷的DLTS信号峰的峰半高宽，

所述的双极型器件界面态的俘获截面为

${\mathrm{\σ}}_{n2}=f\left(T_P\right)\frac{A_2}{2}$     （公式六），

A₂表示界面态的DLTS信号峰的峰半高宽。

一种基于深能级瞬态谱技术的双极型器件电离辐射损伤缺陷检测方法，所述双极型器件包括NPN器件、PNP器件、数字双极电路、模拟双极电路及数模/模数电路；在不破坏双极器件固有结构的情况下，针对双极型器件内部电离辐射损伤缺陷，包括氧化物电荷与界面态，进行定量化研究；

深能级缺陷在深能级瞬态谱仪的温度扫描测试曲线中表现为一个正值或负值的信号峰，信号的正负值可用于分析陷阱的类型是少子陷阱还是多子陷阱，信号峰的强度与陷阱浓度成正比，信号峰的位置由陷阱中心本身对载流子的发射速率决定，通过对DLTS信号进行处理，可以得到少数载流子或多数载流子陷阱的诸多信息，如陷阱浓度及其深度分布、陷阱俘获载流子的激活能以及陷阱对自由载流子的俘获截面。

本发明带来的有益效果是，本发明通过深能级瞬态谱技术，在电离辐射损伤条件下，针对双极型器件的各个敏感区(发射结和集电结)进行DLTS测试，获得氧化物电荷和界面态的DLTS信号峰所对应的温度、峰高及峰的半高宽，并通过公式一至公式六计算获得氧化物电荷和界面态的缺陷浓度、缺陷浓度及俘获截面，从而达到定量化研究电离辐射损伤缺陷的目的。

附图说明

图1为对具体实施方式九中所述的NPN型双极晶体管进行电离辐照后，NPN型双极晶体管的电离辐照缺陷DLTS信号的曲线图；附图标记1表示氧化物电荷的DLTS信号峰，附图标记2表示界面态的DLTS信号峰；

图2为对具体实施方式十中所述的PNP型双极晶体管进行电离辐照后，PNP型双极晶体管的电离辐照缺陷DLTS信号的曲线图；

图3为不同缺陷测试方法所测得的氧化物电荷浓度信息对比图；

图4为不同缺陷测试方法所测得的界面态浓度信息对比图；

上述图中，附图标记3对应栅极扫描方式，附图标记4对应亚阈值扫描方式，附图标记5对应电荷抽运方式，附图标记6对应深能级瞬态谱方式。；

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式所述的一种基于深能级瞬态谱技术的双极型器件电离辐射损伤缺陷检测方法，该方法的具体过程为：

第一步，针对双极型器件进行电离辐射试验，将双极型器件安装到深能级瞬态谱仪的低温测试台上，保证双极型器件与深能级瞬态谱仪的低温测试台紧密连接，并将双极型器件的基极与集电极分别与深能级瞬态谱仪的高、低测试接头相连；

第二步，设置测试参数，该参数包括反向偏压V_R、脉冲电压V_P、测试周期T_W、脉冲宽度T_P及温度扫描范围，并保证反向偏压V_R为-20V到+20V、脉冲电压V_P为-3V到+3V、测试周期T_W为2ms到200s、脉冲宽度T_P为2ms到2s、温度扫描范围为50K到350K，获得氧化物电荷的DLTS信号峰所对应的温度、峰高及峰的半高宽和界面态的DLTS信号峰所对应的温度、峰高及峰半高宽；

第三步，根据第二步获得的氧化物电荷的DLTS信号峰所对应的温度、峰高及峰的半高宽和界面态的DLTS信号峰所对应的温度、峰高及峰半高宽获得双极型器件电离辐射损伤缺陷。

本实施方式中，氧化物电荷和界面态的DLTS信号峰的峰半高宽与峰值的横坐标相同，其高度为峰值的一半。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一所述的一种基于深能级瞬态谱技术的双极型器件电离辐射损伤缺陷检测方法的区别在于，所述双极型器件电离辐射损伤缺陷为缺陷浓度，所述缺陷浓度包括双极型器件氧化物电荷的缺陷浓度和界面态的缺陷浓度，其中：双极型器件氧化物电荷的缺陷浓度为

$N_{T1}={2N}_D\frac{{\mathrm{\ΔC}}_1}{C_{R1}}$     （公式一），

其中，ΔC₁为氧化物电荷的DLTS信号峰的峰高，C_R1表示氧化物电荷DLTS信号峰的峰高对应温度下的反向电容，N_D表示器件中所测试区域的掺杂浓度。

所述双极型器件的界面态的缺陷浓度为：

$N_{T2}={2N}_D\frac{{\mathrm{\ΔC}}_2}{C_{R2}}$     （公式二）；

ΔC₂为界面态的DLTS信号峰的峰高，C_R2表示界面态DLTS信号峰的峰高对应温度下的反向电容。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一所述的一种基于深能级瞬态谱技术的双极型器件电离辐射损伤缺陷检测方法的区别在于，所述双极型器件电离辐射损伤缺陷为缺陷能级，所述缺陷能级包括双极型器件氧化物电荷的缺陷能级和界面态的缺陷能级，其中：双极型器件氧化物电荷的缺陷能级为

E_T1=f(T_W)T₁    （公式三），

其中，f(T_W)表示缺陷能级因数，T₁为氧化物电荷的DLTS信号峰所对应的温度，

所述的双极型器件界面态的缺陷能级为

E_T2=f(T_W)T₂    （公式四）；

T₂表示界面态的DLTS信号峰所对应的温度。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一所述的一种基于深能级瞬态谱技术的双极型器件电离辐射损伤缺陷检测方法的区别在于，所述双极型器件电离辐射损伤缺陷为俘获截面，所述俘获截面包括双极型器件氧化物电荷的俘获截面和界面态的俘获截面，其中：双极型器件氧化物电荷的俘获截面为

${\mathrm{\σ}}_{n1}=f\left(T_P\right)\frac{A_1}{2}$     （公式五）；

其中，f(T_P)表示俘获截面因数，A₁表示氧化物电荷的DLTS信号峰的峰半高宽，

所述的双极型器件界面态的俘获截面为

${\mathrm{\σ}}_{n2}=f\left(T_P\right)\frac{A_2}{2}$     （公式六），

A₂表示界面态的DLTS信号峰的峰半高宽。

本实施方式中，DLTS信号峰的峰半高宽与峰值的横坐标相同，其高度为峰值的一半；

针对NPN型晶体管，设置测试参数，反向偏压V_R=-10V，脉冲电压V_P=-0.1V，测试周期T_W=2.48s，脉冲宽度T_P=10ms。对NPN型双极晶体管进行电离辐射试验，获得的NPN型双极晶体管的电离辐照缺陷DLTS信号的曲线图，具体参见图1；

针对PNP型晶体管，设置测试参数，反向偏压V_R=10V，脉冲电压V_P=0.1V，测试周期T_W=2.48s，脉冲宽度T_P=10ms。对PNP型双极晶体管进行电离辐射试验，获得的PNP型双极晶体管的电离辐照缺陷DLTS信号的曲线图，具体参见图2。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一、二、三或四所述的一种基于深能级瞬态谱技术的双极型器件电离辐射损伤缺陷检测方法的区别在于，所述的反向偏压V_R为-20V到0V或0V到+20V。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一、二、三或四所述的一种基于深能级瞬态谱技术的双极型器件电离辐射损伤缺陷检测方法的区别在于，所述的脉冲电压V_P为-3V到0V或0V到+3V。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一、二、三或四所述的一种基于深能级瞬态谱技术的双极型器件电离辐射损伤缺陷检测方法的区别在于，所述的测试周期T_W为2ms到5s或5s到200s。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一、二、三或四所述的一种基于深能级瞬态谱技术的双极型器件电离辐射损伤缺陷检测方法的区别在于，所述的脉冲宽度T_P为2ms到50ms或50ms到2s。

具体实施方式九：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一、二、三或四所述的一种基于深能级瞬态谱技术的双极型器件电离辐射损伤缺陷检测方法的区别在于，所述双极型器件为NPN型晶体管，在第二步设置测试参数过程中，反向偏压V_R=-10V，脉冲电压V_P=-0.1V，测试周期T_W=2.48s，脉冲宽度T_P=10ms。

具体实施方式十：参见图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一、二、三或四所述的一种基于深能级瞬态谱技术的双极型器件电离辐射损伤缺陷检测方法的区别在于，所述双极型器件为PNP型晶体管，在第二步设置测试参数过程中，反向偏压V_R=10V，脉冲电压V_P=0.1V，测试周期T_W=2.48s，脉冲宽度T_P=10ms。

为了验证一种基于深能级瞬态谱技术的双极型器件电离辐射损伤缺陷检测方法的准确性，我们针对栅控PNP型晶体管内的氧化物电荷与界面态，采用栅极扫描、亚阈值扫描、电荷抽运技术和本发明的测试方法进行定量化研究，并将所得结果进行比较，分别如图3和4所示。如图3和4所示，本发明所述的一种基于深能级瞬态谱技术的双极型器件电离辐射损伤缺陷检测方法所得的结果与传统测试方法所得的结果类似。

Claims (10)

1.一种基于深能级瞬态谱技术的双极型器件电离辐射损伤缺陷检测方法，其特征在于，该方法的具体过程为：

第一步，针对双极型器件进行电离辐射试验，将双极型器件安装到深能级瞬态谱仪的低温测试台上，保证双极型器件与深能级瞬态谱仪的低温测试台紧密连接，并将双极型器件的基极与集电极分别与深能级瞬态谱仪的高、低测试接头相连；

第二步，设置测试参数，该参数包括反向偏压V_R、脉冲电压V_P、测试周期T_W、脉冲宽度T_P及温度扫描范围，并保证反向偏压V_R为-20V到+20V、脉冲电压V_P为-3V到+3V、测试周期T_W为2ms到200s、脉冲宽度T_P为2ms到2s、温度扫描范围为50K到350K，获得氧化物电荷的DLTS信号峰所对应的温度、峰高及峰的半高宽和界面态的DLTS信号峰所对应的温度、峰高及峰半高宽；

第三步，根据第二步获得的氧化物电荷的DLTS信号峰所对应的温度、峰高及峰的半高宽和界面态的DLTS信号峰所对应的温度、峰高及峰半高宽获得双极型器件电离辐射损伤缺陷。

2.根据权利要求1所述的一种基于深能级瞬态谱技术的双极型器件电离辐射损伤缺陷检测方法，其特征在于，所述双极型器件电离辐射损伤缺陷为缺陷浓度，所述缺陷浓度包括双极型器件氧化物电荷的缺陷浓度和界面态的缺陷浓度，其中：双极型器件氧化物电荷的缺陷浓度为

$N_{T1}={2N}_D\frac{{\mathrm{\ΔC}}_1}{C_{R1}}$     （公式一），

其中，ΔC₁为氧化物电荷的DLTS信号峰的峰高，C_R1表示氧化物电荷DLTS信号峰的峰高对应温度下的反向电容，N_D表示器件中所测试区域的掺杂浓度；

所述双极型器件的界面态的缺陷浓度为：

$N_{T2}={2N}_D\frac{{\mathrm{\ΔC}}_2}{C_{R2}}$     （公式二）；

ΔC₂为界面态的DLTS信号峰的峰高，C_R2表示界面态DLTS信号峰的峰高对应温度下的反向电容。

3.根据权利要求1所述的一种基于深能级瞬态谱技术的双极型器件电离辐射损伤缺陷检测方法，其特征在于，所述双极型器件电离辐射损伤缺陷为缺陷能级，所述缺陷能级包括双极型器件氧化物电荷的缺陷能级和界面态的缺陷能级，其中：双极型器件氧化物电荷的缺陷能级为

E_T1=f(T_W)T₁    （公式三），

其中，f(T_W)表示缺陷能级因数，T₁为氧化物电荷的DLTS信号峰所对应的温度，

所述的双极型器件界面态的缺陷能级为

E_T2=f(T_W)T₂    （公式四）；

T₂表示界面态的DLTS信号峰所对应的温度。

4.根据权利要求1所述的一种基于深能级瞬态谱技术的双极型器件电离辐射损伤缺陷检测方法，其特征在于，所述双极型器件电离辐射损伤缺陷为俘获截面，所述俘获截面包括双极型器件氧化物电荷的俘获截面和界面态的俘获截面，其中：双极型器件氧化物电荷的俘获截面为

${\mathrm{\σ}}_{n1}=f\left(T_P\right)\frac{A_1}{2}$     （公式五）；

其中，f(T_P)表示俘获截面因数，A₁表示氧化物电荷的DLTS信号峰的峰半高宽，

所述的双极型器件界面态的俘获截面为

${\mathrm{\σ}}_{n2}=f\left(T_P\right)\frac{A_2}{2}$     （公式六），

A₂表示界面态的DLTS信号峰的峰半高宽。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的一种基于深能级瞬态谱技术的双极型器件电离辐射损伤缺陷检测方法，其特征在于，所述的反向偏压V_R为-20V到0V或0V到+20V。

6.根据权利要求1、2、3或4所述的一种基于深能级瞬态谱技术的双极型器件电离辐射损伤缺陷检测方法，其特征在于，所述的脉冲电压V_P为-3V到0V或0V到+3V。

7.根据权利要求1、2、3或4所述的一种基于深能级瞬态谱技术的双极型器件电离辐射损伤缺陷检测方法，其特征在于，所述的测试周期T_W为2ms到5s或5s到200s。

8.根据权利要求1、2、3或4所述的一种基于深能级瞬态谱技术的双极型器件电离辐射损伤缺陷检测方法，其特征在于，所述的脉冲宽度T_P为2ms到50ms或50ms到2s。

9.根据权利要求1、2、3或4所述的一种基于深能级瞬态谱技术的双极型器件电离辐射损伤缺陷检测方法，其特征在于，所述双极型器件为NPN型晶体管，在第二步设置测试参数过程中，反向偏压V_R=-10V，脉冲电压V_P=-0.1V，测试周期T_W=2.48s，脉冲宽度T_P=10ms。

10.根据权利要求1、2、3或4所述的一种基于深能级瞬态谱技术的双极型器件电离辐射损伤缺陷检测方法，其特征在于，所述双极型器件为PNP型晶体管，在第二步设置测试参数过程中，反向偏压V_R=10V，脉冲电压V_P=0.1V，测试周期T_W=2.48s，脉冲宽度T_P=10ms。

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