CN106771952A - 一种宽禁带半导体器件辐射效应激光模拟系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽禁带半导体器件辐射效应激光模拟系统，该系统包括短波长脉冲激光产生与衰减系统、显微成像与能量监测系统、测试与控制系统三个部分。本发明可利用短波长脉冲激光辐照宽禁带半导体器件，在半导体器件中产生电离效应，模拟伽马射线等辐射源作用于半导体器件的辐射电离效应，填补了宽禁带半导体器件的辐射电离效应激光模拟系统的空白，且该系统具有结构紧凑、安全性高等特点，降低了试验成本，提高了试验效率，为有针对性的对宽禁带半导体器件进行抗辐射加固设计提供了有效手段。

Description

一种宽禁带半导体器件辐射效应激光模拟系统

技术领域

本发明属于半导体器件辐射效应研究领域，主要涉及一种宽禁带半导体器件辐射效应激光模拟系统。

背景技术

半导体器件的瞬时剂量率辐射效应是指暴露于瞬时的脉冲γ射线辐射下的半导体器件所表现出的电离辐射损伤，其机理是由于瞬时的电离脉冲辐射在半导体材料中激发电子—空穴对，这些光生载流子在被器件收集的过程中将产生瞬时光电流。当辐射剂量率增大到一定程度时，此光电流将可能等于甚至大于电路本身的电流信号，导致电路功能紊乱或失效。因此，深入研究半导体器件的辐射效应的机理和影响并探讨其抗辐射加固技术是研究人员长期以来关注的课题。碳化硅和氮化镓半导体材料具有宽禁带、高击穿场强、高饱和电子漂移速率以及抗辐射能力强等优点，特别适合应用于高频、高功率、抗辐射的功率器件，并且可以在高温恶劣环境下工作。由于具备这些优点，宽禁带半导体功率器件可以明显提高电子信息系统的性能，广泛应用于人造卫星、火箭、雷达、通讯、海洋勘探等重要领域。随着宽禁带半导体材料越来越广泛的应用，对宽禁带半导体器件抗辐射性能的研究也越来越重要。

前期，研究人员主要依靠电子直线电子加速器、各种放射源等大型地面装置开展辐射效应研究。但这些大型地面辐射模拟装置存在如下局限性：辐射测量范围有限、参数调节非常困难、改变辐射种类和能量需要的时间长、对被测器件有损伤、难于精确提供器件在辐射下的精确时间和空间信息、需要严格的辐射屏蔽和保护措施等，难以满足研究人员在设计初期，在实验室中灵活、快捷、安全地对半导体器件辐射效应和工作性能进行研究和验证的需求。由于激光可以在半导体器件内产生同某些辐射效应相近的电学特征，激光模拟辐射电离效应方法应运而生。近二十余年来，得到了国外科研界的推广和认可，在半导体器件辐射效应敏感性测试、抗辐射加固器件的批量筛选以及防护措施验证等方面中证实了其独特优势，可以在很大程度上弥补地面装置模拟方法的不足，具有非常广阔的应用前景。目前国内部分单位建立了针对硅基器件的单粒子效应激光模拟系统，也有单位建立了针对硅基器件的辐射剂量率效应激光模拟系统，但尚无针对宽禁带半导体器件的辐射效应激光模拟系统，不能满足对宽禁带半导体器件的辐射效应激光模拟的需求。

发明内容

针对目前国内目前尚无针对宽禁带半导体器件的辐射效应激光模拟系统的现状，以及其它地面模拟装置的固有限制，本发明提出了一种宽禁带半导体器件辐射效应激光模拟系统，利用光子能量大于宽禁带半导体材料禁带宽度的短波长脉冲激光辐照宽禁带半导体器件，可根据实际需求设定设置波长为210nm或者355nm，利用210nm和355m激光在半导体器件中穿透深度不同的特点定位半导体器件灵敏层，可灵活快捷地在实验室条件下对宽禁带半导体器件辐射剂量率效应进行研究和验证，并且该实验模拟系统具备小型化、集成化的特点。

本发明技术方案如下：

一种宽禁带半导体器件辐射效应激光模拟系统，其特征在于：包括短波长脉冲激光产生与衰减系统、显微成像与能量监测系统、测试与控制系统；

所述短波长脉冲激光产生与衰减系统，用于产生短波长脉冲激光，并对根据实际实验需求对单脉冲激光的能量进行衰减；

所述显微成像与能量监测系统，用于对宽禁带半导体器件测试样品进行成像，并对作用于宽禁带半导体器件测试样品的脉冲激光进行能量测量；

所述测试与控制系统，用于采集并记录宽禁带半导体器件测试样品辐射电离效应的响应电信号。

所述短波长脉冲激光产生与衰减系统包括短波长脉冲激光器、衰减镜片模组、反射镜，短波长脉冲激光器、衰减镜片模组和反射镜安装于遮光罩内。所述短波长脉冲激光器用于产生波长为210nm或355nm的短波长脉冲激光，在空间位置上依次经过衰减镜片模组、反射镜。

优选的，遮光罩的内部表面粗糙，不发生镜面反射，且易拆卸。

所述显微成像与能量监测系统包括CCD摄像头、分光镜、指引光源、能量计探头、分光棱镜、调焦机构、物镜转盘、物镜、支架；支架包括底板、竖直支撑杆和顶部的水平杆，所述CCD摄像头、分光镜、指引光源、能量计探头、分光棱镜安装于支架顶部的水平杆上，调焦机构安装于水平杆末端的下面，物镜转盘安装于调焦机构的下面，物镜安装于物镜转盘的下面。

在空间位置上，所述短波长脉冲激光经过反射镜后到达分光镜，经过分光镜分成两束，一束为水平方向，另一束为竖直方向，水平方向的短波长脉冲激光经过分光棱镜分别到达CCD摄像头和能量计探头，分光棱镜对应的位置上设置指引光源，竖直方向的短波长脉冲激光依次经过调焦机构、物镜转盘、物镜后到达宽禁带半导体器件测试样品表面。

所述指引光源在空间位置上依次经过分光棱镜、分光镜、调焦机构、物镜转盘、物镜后到达宽禁带半导体器件测试样品表面；指引光源在分光镜上与短波长脉冲激光合束后，到达宽禁带半导体器件测试样品表面上时，指引光源与短波长脉冲激光的光斑中心重合。

优选的，指引光源为波长为532nm的连续激光，功率不大于1mW。

所述测试与控制系统包括精密位移平台和示波器，宽禁带半导体器件测试测试样品放置于精密位移平台上，通过控制精密位移平台来精确控制光斑作用于宽禁带半导体器件测试样品上的位置。

优选的，精密位移平台为六轴位移平台。

本发明有益效果如下：

本发明具有小型化、集成化的特点，可根据实际需求设定设置波长为210nm或者355nm，可定位半导体器件敏感层和敏感位置，该系统填补了没有宽禁带半导体器件辐射效应激光模拟系统的空白，为大型地面试验装置提供了有效的补充试验手段。

附图说明

图1 为本发明的一种实施方式的结构示意图；

图2 为本发明的显微成像与能量监测系统的俯视结构示意图。

其中，附图标记为：I短波长脉冲激光产生与衰减系统，II显微成像与能量监测系统，III测试与控制系统，1短波长脉冲激光器，2衰减镜片模组，3反射镜，4遮光罩，5 CCD摄像头，6分光镜，7指引光源，8能量计探头，9分光棱镜，10调焦机构，11物镜转盘，12物镜，13支架，14宽禁带半导体器件测试样品，15精密位移平台，16示波器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实例进行详细描述。

参见附图1，一种宽禁带半导体器件辐射效应激光模拟系统，包括短波长脉冲激光产生与衰减系统I、显微成像与能量监测系统II、测试与控制系统III。

所述短波长脉冲激光产生与衰减系I，用于产生短波长脉冲激光，并对根据实际实验需求对单脉冲激光的能量进行衰减。

所述显微成像与能量监测系统II，用于对宽禁带半导体器件测试样品14进行成像，并对作用于宽禁带半导体器件测试样品14的脉冲激光进行能量测量。

所述测试与控制系统III，用于采集并记录宽禁带半导体器件测试样品辐射电离效应的响应电信号。

所述短波长脉冲激光产生与衰减系I，包括短波长脉冲激光器1、衰减镜片模组2、反射镜3、遮光罩4，短波长脉冲激光器1、衰减镜片模组2和反射镜3安装于遮光罩4内。所述短波长脉冲激光器1可以用于产生波长为210nm或355nm的短波长脉冲激光，短波长脉冲激光在空间位置上依次经过衰减镜片模组2、反射镜3，衰减模组2将短波长脉冲激光的能量按照实际需求做一定衰减后，经过反射镜3的反射进入显微成像与能量监测系统II。

参见附图2，显微成像与能量监测系统II用于对宽禁带半导体器件测试样品14进行成像，并对作用于宽禁带半导体器件测试样品14的短波长脉冲激光进行能量测量，包括CCD摄像头5、分光镜6、指引光源7、能量计探头8、分光棱镜9、调焦机构10、物镜转盘11、物镜12、支架13；支架13包括底板、竖直支撑杆和顶部的水平杆，所述CCD摄像头5、分光镜6、指引光源7、能量计探头8、分光棱镜9安装于支架13顶部的水平杆上，调焦机构10安装于水平杆末端的下面，物镜转盘11安装于调焦机构10的下面，物镜12安装于物镜转盘11的下面。

在空间位置上短波长脉冲激光经过分光镜6分成两束，一束为水平方向，另一束为竖直方向，水平方向的短波长脉冲激光经过分光棱镜9分别到达CCD摄像头5和能量计探头8，竖直方向的短脉冲激光经过调焦机构10、物镜转盘11、物镜12后到达宽禁带半导体器件测试样品14表面；能量计探头8采集到的能量根据分光镜6和分光棱镜9的分光比例可换算出到达到达宽禁带半导体器件测试样品14表面的激光能量。

所述指引光源7在空间位置上依次经过分光棱镜9、分光镜6、调焦机构10、物镜转盘11、物镜12后到达宽禁带半导体器件测试样品14表面；指引光源7在分光镜6上与短波长脉冲激光合束后，到达宽禁带半导体器件测试样品14表面上时，指引光源7与短波长脉冲激光的光斑中心重合。所述指引光源7采用532nm的连续激光。

所述测试与控制系统III包括精密位移平台15和示波器16，宽禁带半导体器件测试样品14通过卡具固定在精密位移平台15上，精密位移平台15固定于显微成像与能量监测系统II的支架13的底板上，精密位移平台15带动宽禁带半导体器件测试测试样品14运动，使得脉冲激光的光斑局部照射或者全面覆盖宽禁带半导体器件测试样品14上。短波长脉冲激光照射在宽禁带半导体器件测试样品14上后产生的电学响应由示波器16采集并记录。

Claims (8)

1.一种宽禁带半导体器件辐射效应激光模拟系统，其特征在于：包括短波长脉冲激光产生与衰减系统（I）、显微成像与能量监测系统（II）、测试与控制系统（III）；

所述短波长脉冲激光产生与衰减系统（I），用于产生短波长脉冲激光，并对根据实际实验需求对单脉冲激光的能量进行衰减；

所述显微成像与能量监测系统（II），用于对宽禁带半导体器件测试样品（14）进行成像，并对作用于宽禁带半导体器件测试样品（14）的脉冲激光进行能量测量；

所述测试与控制系统（III），用于采集并记录宽禁带半导体器件测试样品（14）辐射电离效应的响应电信号。

2.根据权利要求1所述的一种宽禁带半导体器件辐射效应激光模拟系统，其特征在于，所述短波长脉冲激光产生与衰减系统（I）包括短波长脉冲激光器（1）、衰减镜片模组（2）、反射镜（3），短波长脉冲激光器（1）、衰减镜片模组（2）和反射镜（3）安装于遮光罩（4）内；所述短波长脉冲激光器（1）用于产生波长为210nm或355nm的短波长脉冲激光，在空间位置上依次经过衰减镜片模组（2）、反射镜（3）。

3.根据权利要求1或2所述的一种宽禁带半导体器件辐射效应激光模拟系统，其特征在于：所述显微成像与能量监测系统（II）包括CCD摄像头（5）、分光镜（6）、指引光源（7）、能量计探头（8）、分光棱镜（9）、调焦机构（10）、物镜转盘（11）、物镜（12）、支架（13）；支架（13）包括底板、竖直支撑杆和顶部的水平杆，所述CCD摄像头（5）、分光镜（6）、指引光源（7）、能量计探头（8）、分光棱镜（9）安装于支架（13）顶部的水平杆上，调焦机构（10）安装于水平杆末端的下面，物镜转盘（11）安装于调焦机构（10）的下面，物镜（12）安装于物镜转盘（11）的下面。

4.根据权利要求3所述的一种宽禁带半导体器件辐射效应激光模拟系统，其特征在于：在空间位置上，所述短波长脉冲激光经过反射镜（3）后到达分光镜，经过分光镜（6）分成两束，一束为水平方向，另一束为竖直方向，水平方向的短波长脉冲激光经过分光棱镜（9）分别到达CCD摄像头（5）和能量计探头（8），分光棱镜（9）对应的位置上设置指引光源（7），竖直方向的短波长脉冲激光依次经过调焦机构（10）、物镜转盘（11）、物镜（12）后到达宽禁带半导体器件测试样品（14）表面。

5.根据权利要求4所述的一种宽禁带半导体器件辐射效应激光模拟系统，其特征在于：所述指引光源（7）在空间位置上依次经过分光棱镜（9）、分光镜（6）、调焦机构（10）、物镜转盘（11）、物镜（12）后到达宽禁带半导体器件测试样品（14）表面；指引光源（7）在分光镜（6）上与短波长脉冲激光合束后，到达宽禁带半导体器件测试样品（14）表面上时，指引光源（7）与短波长脉冲激光的光斑中心重合。

6.根据权利要求3所述的一种宽禁带半导体器件辐射效应激光模拟系统，其特征在于：所述指引光源（7）为波长为532nm的连续激光，功率小于或等于1mW。

7.根据权利要求1所述的一种宽禁带半导体器件辐射效应激光模拟系统，其特征在于：所述测试与控制系统（III）包括精密位移平台（15）和示波器（16），宽禁带半导体器件测试样品（14）放置于精密位移平台（15）上，通过控制精密位移平台（15）移动来精确控制光斑作用于宽禁带半导体器件测试样品（14）上的位置。

8.根据权利要求7所述的一种宽禁带半导体器件辐射效应激光模拟系统，其特征在于：所述精密位移平台（15）为六轴位移平台。