CN103926519A - 一种用于横向npn晶体管电离辐射损伤的定量测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于横向NPN晶体管辐射损伤的定量分离测试方法，该方法涉及装置是由栅控横向NPN双极晶体管和HP4142半导体参数分析仪组成。本发明在常规双极NPN晶体管的CE结钝化层表面附加栅电极，所加栅电极既不影响器件的双极晶体管特性，又使的器件具有MOS管的特性，测试过程中通过在器件的表面附加一定的电场，使得器件基区表面能级发生弯曲，从而获得表面栅极电压随基极电流的变化趋势。本发明使用附加栅电极特殊结构的栅控横向NPN双极晶体管，能够对横向NPN双极晶体管的电离辐射损伤进行测试和表征，能够定量揭示和分离双极横向NPN晶体管在遭受到电离辐射后的缺陷态数目。

Description

一种用于横向NPN晶体管电离辐射损伤的定量测试方法

技术领域

本发明涉及一种用于横向NPN晶体管电离辐射损伤的定量测试方法，尤其是用于横向NPN双极晶体管的电离总剂量辐射损伤感生陷阱的定量测试方法。

背景技术

双极晶体管由于具有良好的线性特性和电流驱动能力，以及高频、低噪声等特殊优点，被广泛应用于航天电子领域。然而，宇宙空间内存在着大量的高能粒子和射线，这就意味着这些双极晶体管将工作在非常复杂、恶劣的辐射环境中，这些空间辐射环境主要来自宇宙射线、地球辐射带、太阳耀斑、太阳电磁辐射和极光辐射等各种高能粒子；其能量从几千电子伏到几千兆电子伏，甚至更高。而绕地运行的地球卫星受到的辐射主要来自范·艾伦辐射带，也就是地球磁场俘获宇宙空间的带电粒子，形成天然的地球辐射带。当双极晶体管以及由双极晶体管构成的双极电路工作在上述空间辐射环境中时，不可避免的要遭受空间辐射环境中的高能粒子和射线的影响而使电路工作性能退化，甚至功能失效。因此对双极器件和电路在这种极端恶劣的辐射环境中的可靠性的研究变得非常重要。此外，近年来的研究发现，在空间辐射环境(10^-4～10^-2rad(Si)/s)中的双极器件存在低剂量率辐射损伤增强效应(Enhanced Low Dose Rate Sensitivity，简称ELDRS)，这就意味着采用美军标规定的实验室高剂量率的评估方法(50～300rad(Si)/s)来评估双极器件的抗辐射水平，将与电子元器件在空间低剂量率环境下的实际抗辐射能力严重不符，从而给卫星、空间站等电子系统的可靠性带来极大的隐患。然而，用空间低剂量率来评估电子器件的实际抗辐射能力，即不经济又耗时耗力。因此，找到一种能在实验室应用的，且高效可靠的双极器件ELDRS的加速评估方法具有重要意义。然而，解决上述问题的关键所在便是对双极晶体管辐射损伤机理的定量揭示，它是建立有效的实验室加速评估方法的理论依据，也是解决双极器件和电路抗ELDRS效应加固技术难题的基础。

近年来，国际上投入了大量人力、物力进行了有关双极器件和电路的低剂量率辐射损伤增强效应的损伤机理、评估方法及加固技术的研究。然而，由于双极晶体管辐射效应具有很强的工艺相关性，其复杂的辐射效应使得双极器件的损伤机理研究一直没能形成统一的定论，且特殊的器件结构使得双极器件辐射感生电荷的定量分离成为科学研究的难题，受辐照分离方法限制，获得的低剂量率辐射损伤失效机理模型，只能定性地描述器件宏观参数的变化，对氧化物陷阱电荷和界面陷阱电荷引起器件参数退化和功能失效的潜在原因并不明朗，从而制约了双极器件和电路的实验室加速评估试验方法的建立和抗辐射加固技术的发展。

国际上对于双极晶体辐射感生缺陷的定量分离做过一些探索性的研究。相关可见的报道出现在IEEE nuclear science的论文“Radiation-induced base current broadeningmechanisms in gated bipolar devices”中，其设计了特殊结构的栅控横向PNP双级晶体管，研究了横向PNP晶体管的辐射损伤，并分离了其辐射感生缺陷。国内在《物理学报》上亦出现过关于栅控横向PNP双极晶体管辐射损伤定量分离的相关报道，然而关于横向NPN晶体管的辐射感生缺陷定量测试技术却未见国内外有报道。

发明内容

本发明目的在于，提供一种用于横向NPN晶体管电离辐射损伤的定量测试方法，该方法涉及装置是由栅控横向NPN双极晶体管和HP4142半导体参数分析仪组成，利用附加栅电极特殊半导体工艺，在常规双极NPN晶体管的CE结钝化层表面附加栅电极，所加栅电极既不影响器件的双极常规特性，又使的器件具有MOS管特性。测试过程中通过在器件的表面附加一定的电场，使得器件基区表面能级发生弯曲，从而获得表面栅极电压随基极电流的变化趋势。本发明所述方法中使用的附加栅电极特殊结构的双极栅控横向NPN晶体管，能够对双极横向NPN晶体管的电离辐射损伤进行测试，能够定量揭示和分离双极横向NPN晶体管在遭受到电离辐射后感生的氧化物电荷和界面态数目。

本发明所述的一种用于横向NPN晶体管电离辐射损伤的定量测试方法，该方法中涉及装置是由栅控横向NPN双极晶体管和HP4142半导体参数分析仪组成，栅控横向NPN双极晶体管是在常规晶体管的CE结钝化层表面附加栅电极，然后定量分离双极横向NPN晶体管中电离辐射感生的陷阱电荷，具体操作按下列步骤进行：

a、利用HP4142半导体参数分析仪测试栅控横向NPN双极晶体管的常规特性，包括基极、集电极电流和增益曲线，确定器件性能正常；

b、将步骤a中采集的正常结果，进行栅扫描法测试：集电极和发射极加固定电压0.6V，栅极加步进扫描电压0-40V，步长为100mV，测试基极电流Ib，获得基极电流随栅压的变化趋势Vg-Ib曲线；

c、待HP4142半导体参数分析仪采集到步骤b曲线后，即确定总剂量辐照前器件的缺陷态数目；

d、将步骤b测试的栅控横向NPN双极晶体管进行γ射线辐照，再按步骤a-步骤c再进行测试，再将两次测试结果进行比对；

e、再利用栅扫描法对栅控横向NPN双极晶体管在遭受电离辐照后所产生的陷阱数目进行分离，从而可以完成对横向NPN双极晶体管辐射损伤的定量测试。

本发明所述的一种用于横向NPN晶体管电离辐射损伤的定量测试方法，该方法中栅扫描法分离是将栅控横向NPN双极晶体管在电离辐射环境中产生的氧化物电荷和界面陷阱进行分离，采用公式(1)、(2)，在栅扫描曲线上确定峰值电流的相应位置，然后通过(1)式来计算界面态ΔN_it的分布：

${\mathrm{\ΔN}}_{\mathrm{it}}=\frac{2{\mathrm{\ΔI}}_B}{q{\mathrm{\σv}}_{\mathrm{th}}{S}_{\mathrm{peak}}{n}_i\exp \left(\frac{V_{\mathrm{EB}}}{2V_T}\right)}---\left(1\right)$

而氧化物陷阱电荷可以通过V_mg中带电压的偏移量计算,其表达式如(2)所示：

${\mathrm{\ΔN}}_{\mathrm{ot}}=\frac{C_{\mathrm{ox}}}{q}{\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{mg}}---\left(2\right)$

公式中：q电荷量,ΔI_B为基极电流峰值增量，σ载流子俘获截面，V_th载流子热速率，S_peak峰值电流出现是基区表面积，n_i代表基区载流子浓度，V_T为电压当量，V_BE基射极电压，C_ox为单位面积氧化层电容且有C_ox＝ε_ox/t_ox，εox为SiO₂介电常数，t_ox基区氧化层厚度。

本发明所述的一种用于横向NPN晶体管电离辐射损伤的定量测试方法，该方法涉及装置是由栅控横向NPN双极晶体管和HP4142半导体参数分析仪组成，本发明利用特殊半导体工艺，在常规双极NPN晶体管的CE结钝化层表面附加栅电极，所加栅电极既不影响器件的双极常规特性，又使的器件具有MOS管特性，测试过程中通过在器件的表面附加一定的电场，使得器件基区表面能级发生弯曲，从而获得表面栅极电压随基极电流的变化趋势。本发明使用附加栅电极特殊结构的双极栅控横向NPN晶体管，能够对双极横向NPN晶体管的电离辐射损伤进行测试，能够定量揭示和分离双极横向NPN晶体管在遭受到电离辐射后感生的氧化物电荷和界面态数目。

附图说明

图1为本发明器件剖面示意图，其中n⁺为n型高掺杂半导体，p为p型掺杂半导体，P⁺为P型高掺杂半导体，C为集电极，G为栅极，E为发射极，B为基极；

图2为本发明辐照前常规增益曲线图，其中■为增益值；

图3为本发明辐照前后栅扫描曲线图，其中△为辐照40krad后，○为辐照20krad后，■为辐照前；

图4为本发明实验流程图；

图5为本发明NPN晶体管辐射感生缺陷分离结构展示图，其中▲为氧化物电荷，■为界面陷阱电荷。

具体实施方式

实施例

应用本发明的测试方法对国产栅控横向NPN双极晶体管的辐射损伤进行测试：

实验室的规定条件：环境温度20±5℃，环境湿度45％-60％；

涉及装置是由栅控横向NPN双极晶体管和HP4142半导体参数分析仪组成，栅控横向NPN双极晶体管是在常规晶体管的CE结钝化层表面附加栅电极，然后定量分离双极横向NPN晶体管中电离辐射感生的陷阱电荷，具体操作按下列步骤进行：

将连接好的测试装置HP4142半导体参数分析仪进行仪器预置，将待测器件固定在测试底座上，并按照规定设置测试参量并连接管脚；

a、利用HP4142半导体参数分析仪测试栅控横向NPN双极晶体管的常规特性，包括基极、集电极电流和增益曲线，确定器件性能正常，测试过程中栅极接固定电压且为最高电位；

b、若步骤a数据结果正常，则利用HP4142半导体参数分析仪进行栅扫描法测试：集电极和发射极加固定电压0.5V，栅极加步进扫描电压0-40V，步长为100mV，测试基极电流Ib，获得基极电流随栅压的变化趋势Vg-Ib曲线；

c、待HP4142半导体参数分析仪采集到步骤b曲线后，即确定总剂量辐照前器件的缺陷态数目；

d、将步骤b测试的栅控横向NPN双极器件进行⁶⁰Coγ射线辐照，辐照条件设置：辐照剂量率为50rad(Si)/s(并非固定值，试验已经验证该方法对美军标规定的实验室最低剂量率50rad(Si)/s及近实际空间低剂量率0.010rad(Si)/s均使用)，辐照剂量率用热释光剂量片进行标定，总剂量累积到40krad(Si)(并非固定值，设置不同总剂量可获得相应总剂量辐照下的分离结果，如图5所示。最高总剂量值受栅控横向NPN双极晶体管工艺参数限制)，辐照过程中器件偏置条件为零偏，即G栅电极，C集电极，E发射极和B基极均接地，再按步骤a利用HP4142半导体参数分析仪测试栅控横向NPN双极晶体管的常规特性，包括基极、集电极电流和增益曲线，确定器件性能正常，测试过程中栅极接固定电压且为最高电位；步骤b、若步骤a数据结果正常，则利用HP4142半导体参数分析仪进行栅扫描法测试：集电极和发射极加固定电压0.5V，栅极加步进扫描电压0-40V，步长为100mV，测试基极电流Ib，获得基极电流随栅压的变化趋势Vg-Ib曲线；步骤c、待HP4142半导体参数分析仪采集到步骤b曲线后，即确定总剂量辐照前器件的缺陷态数目进行一次测试，再将辐照前后参数的测试结果进行比对，获得如图3所示■线型曲线与△线型曲线的对比结果；

e、再利用栅扫描法对栅控横向NPN双极晶体管在遭受电离辐照后所产生的陷阱数目进行分离，利用所对应公式即可确定双极晶体管在遭受电离辐照后的所产生的陷阱数目，即将辐照前后栅扫描曲线中峰值电流的垂直变化值ΔI_B带入公式(1)计算出界面陷阱数目ΔNit，将与峰值电流水平变化有关的中带电压偏移量ΔV_mg带入(2)中可计算出氧化物电荷数目ΔN_ot；

${\mathrm{\ΔN}}_{\mathrm{it}}=\frac{2{\mathrm{\ΔI}}_B}{q{\mathrm{\σv}}_{\mathrm{th}}{S}_{\mathrm{peak}}{n}_i\exp \left(\frac{V_{\mathrm{EB}}}{2V_T}\right)}---\left(1\right)$

公式(1)中：q电荷量,ΔI_B为基极电流纵向峰值增量,σ载流子俘获截面，V_th载流子热速率，S_peak峰值电流出现时基区表面积，n_i代表基区载流子浓度，V_T为电压当量，V_BE基射结电压。公式(1)中除ΔI_B外均为常量，ΔI_B为图3中辐照前曲线(■线型曲线)与辐照后曲线(△线型曲线)的峰值差；

${\mathrm{\ΔN}}_{\mathrm{ot}}=\frac{C_{\mathrm{ox}}}{q}{\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{mg}}---\left(2\right)$

公式(2)中：C_ox为单位面积氧化层电容且有C_ox＝ε_ox/t_ox，εox为SiO₂介电常数，t_ox基区氧化层厚度。中带电压变化量ΔV_mg辐照前后基极电流峰值横向漂移所对应的栅极电压变化量，即为图3中辐照前曲线(■线型曲线)峰值对应的电压值与辐照后曲线(△线型曲线)峰值对应的电压值之差，完成对横向NPN双极晶体管辐射损伤的定量测试。

结合步骤e中的分离结果，便可以定量的分离出栅控横向NPN双极晶体管中所感生的辐射损伤缺陷，即代表着常规双极横向NPN双极晶体管在电离辐射环境下的辐射损伤。栅控横向NPN双极晶体管在辐照前，通过多次测试获得器件的初值，得到的实验结果重复性误差小于1.2％，而分析技术所包含的误差在辐照前后计算过程中是可消除的。因此，用本发明所述测试方法对横向NPN双极晶体管的辐射损伤进行测试与分离是客观合理的，其辐照前后的测试结果不仅能为双极器件总剂量辐照的实验室加速模拟试验方法的研究提供依据，也能为国产双极晶体管和电路的加固工艺技术研究提供有力判据和方法指导。

Claims (1)

1.一种用于横向NPN晶体管电离辐射损伤的定量测试方法，其特征在于该方法中涉及装置是由栅控横向NPN双极晶体管和HP4142半导体参数分析仪组成，栅控横向NPN双极晶体管是在常规晶体管的CE结钝化层表面附加栅电极，然后定量分离双极横向NPN晶体管中电离辐射感生的陷阱电荷，具体操作按下列步骤进行：

a、利用HP4142半导体参数分析仪测试栅控横向NPN双极晶体管的常规特性，包括基极、集电极电流和增益曲线，确定器件性能正常；

b、将步骤a中采集的正常结果，进行栅扫描法测试：集电极和发射极加固定电压0.6V，栅极加步进扫描电压0-40V，步长为100mV，测试基极电流Ib，获得基极电流随栅压的变化趋势Vg-Ib曲线；

c、待HP4142半导体参数分析仪采集到步骤b曲线后，即确定总剂量辐照前器件的缺陷态数目；

d、将步骤b测试的栅控横向NPN双极晶体管进行γ射线辐照，再按步骤a-步骤c再进行测试，再将两次测试结果进行比对；

e、再利用栅扫描法对栅控横向NPN双极晶体管在遭受电离辐照后所产生的陷阱数目进行分离，从而可以完成对横向NPN双极晶体管辐射损伤的定量测试。