CN108303629A - 一种基于氢气处理快速确定辐照源在双极晶体管中产生辐射效应的方法 - Google Patents

一种基于氢气处理快速确定辐照源在双极晶体管中产生辐射效应的方法 Download PDF

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Abstract

一种基于氢气处理快速确定辐照源在双极晶体管中产生辐射效应的方法，它涉及一种双极晶体管器件的辐照效应评价，尤其涉及异种辐照源等效评价试验方法。本发明的目的要解决现有方法不能精确的判断出导致双极器件电性能下降由于电离效应、位移效应或电离/位移协同效应的问题。方法：一、开帽得到开帽的双极型晶体管；二、氢气浸泡得到氢气浸泡双极型晶体管；三、辐照，并进行原位测试；四、电性能进行分析对比；判断产生辐射效应属于位移效应、电离效应或电离/位移协同效应。优点：能够快速判定辐照源产生属于位移效应、电离效应或电离/位移协同效应。本发明主要用于基于氢气处理快速确定辐照源在双极晶体管中产生辐射效应。

Description

一种基于氢气处理快速确定辐照源在双极晶体管中产生辐射 效应的方法
技术领域
本发明涉及一种双极晶体管器件的辐照效应评价，尤其涉及异种辐照源等效评价试验方法。
背景技术
双极型晶体管具有良好的电流驱动能力、线性度、低噪声以及优良的匹配特性。它们在模拟或混合集成电路及BiCMOS电路中有着重要的作用，且这些电路及双极型晶体管常常应用于空间环境。所以，对双极型器件的辐射效应进行有效评价，对于优化航天器的选材和设计及提高航天器的在轨服役可靠性，具有十分重要的工程实际意义。双极器件对电离效应和位移效应均较为敏感。电离效应会在硅双极器件的SiO2层产生氧化物俘获正电荷，并在SiO2/Si界面处形成界面态；位移效应会在硅体材料内部产生大量的间隙原子和空位，进而在硅禁带中引入新的复合或俘获中心。这些辐射诱导的电离效应和位移效应均会导致双极器件电性能下降。但是现有方法不能精确的判断出导致双极器件电性能下降由于电离效应、位移效应或电离/位移协同效应的问题
发明内容
本发明的目的要解决现有方法不能精确的判断出导致双极器件电性能下降由于电离效应、位移效应或电离/位移协同效应的问题，而提供一种基于氢气处理快速确定辐照源在双极晶体管中产生辐射效应的方法。
一种基于氢气处理快速确定辐照源在双极晶体管中产生辐射效应的方法，具体是按以下步骤完成的：
一、将双极型晶体管进行开帽，得到开帽的双极型晶体管；
二、利于氢气浸泡装置，在氢气体积浓度为50％～100％气氛下对开帽的双极型晶体管进行氢气浸泡，浸泡氢气压力0.001MPa～5MPa，浸泡温度为20℃～300℃，浸泡时间≥48h，得到氢气浸泡双极型晶体管；
三、以步骤一得到的开帽的双极型晶体管作为未氢气浸泡的开帽双极型晶体管，采用辐射源对氢气浸泡双极型晶体管和未氢气浸泡的开帽双极型晶体管，在辐照过程中，对氢气浸泡双极型晶体管和未氢气浸泡的开帽双极型晶体管的电性能进行原位测试；
四、对氢气浸泡双极型晶体管测试的电性能与未氢气浸泡的开帽双极型晶体管测试的电性能进行分析对比；
当氢气浸泡双极型晶体管测试的电性能与未氢气浸泡的开帽双极型晶体管测试的电性能相比电流增益倒数的变化量无显著变化时，则判断辐照源所产生的辐射效应属于位移效应；
当氢气浸泡双极型晶体管测试的电性能与未氢气浸泡的开帽双极型晶体管测试的电性能相比电流增益倒数的变化量显著增大，且变化趋势相同时，，则判断辐照源所产生的辐射效应属于电离效应；
当氢气浸泡双极型晶体管测试的电性能与未氢气浸泡的开帽双极型晶体管测试的电性能相比电流增益倒数的变化量显著增大，但变化趋势不相同时，则判断辐照源所产生的辐射效应既有电离效应又有位移效应，即电离/位移协同效应。
本发明原理及优点：辐射源在辐照过程中，在双极型晶体管中不同形式氢的存在会促进氧化物电荷和界面态陷阱的产生，导致双极型晶体管电离辐射损伤加剧。而氢的存在不会影响位移损伤效应。本发明利用氢气浸泡双极型晶体管，能够快速判定辐照源在双极晶体管中产生属于位移效应、电离效应或电离/位移协同效应。
附图说明
图1是40MeV Si离子辐照NPN型晶体管电流增益倒数的变化量曲线图，图中□表示氢气浸泡NPN型晶体管的辐照后电流增益倒数的变化量曲线，图中●表示未氢气浸泡的开帽NPN型晶体管的辐照后电流增益倒数的变化量曲线；
图2是辐照注量为1.6×1012cm-2下40MeV Si离子辐照的NPN晶体管的深能级瞬态谱，图中■表示氢气浸泡NPN型晶体管的DLTS曲线，图中●表示未氢气浸泡的开帽NPN型晶体管的DLTS曲线；
图3是100rad/s下以60Coγ射线辐照的NPN型晶体管电流增益倒数的变化量曲线图，图中●表示氢气浸泡NPN型晶体管的辐照后电流增益倒数的变化量曲线，图中■表示未氢气浸泡的开帽NPN型晶体管的辐照后电流增益倒数的变化量曲线；
图4是100krad下60Coγ射线辐照的NPN型晶体管的深能级瞬态谱，图中■表示氢气浸泡NPN型晶体管的DLTS曲线，图中●表示未氢气浸泡的开帽NPN型晶体管的DLTS曲线；
图5是1MeV电子辐照NPN型晶体管电流增益倒数的变化量曲线图，图中●表示氢气浸泡NPN型晶体管的辐照后电流增益倒数的变化量曲线，图中■表示未氢气浸泡的开帽NPN型晶体管的辐照后电流增益倒数的变化量曲线；
图6是辐照注量为3.0×1014e/cm2下1MeV电子辐照NPN晶体管的深能级瞬态谱，图中■表示氢气浸泡NPN型晶体管的DLTS曲线，图中●表示未氢气浸泡的开帽NPN型晶体管的DLTS曲线。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式是一种基于氢气处理快速确定辐照源在双极晶体管中产生辐射效应的方法，具体是按以下步骤完成的：
一、将双极型晶体管进行开帽，得到开帽的双极型晶体管；
二、利于氢气浸泡装置，在氢气体积浓度为50％～100％气氛下对开帽的双极型晶体管进行氢气浸泡，浸泡氢气压力0.001MPa～5MPa，浸泡温度为20℃～300℃，浸泡时间≥48h，得到氢气浸泡双极型晶体管；
三、以步骤一得到的开帽的双极型晶体管作为未氢气浸泡的开帽双极型晶体管，采用辐射源对氢气浸泡双极型晶体管和未氢气浸泡的开帽双极型晶体管，在辐照过程中，对氢气浸泡双极型晶体管和未氢气浸泡的开帽双极型晶体管的电性能进行原位测试；
四、对氢气浸泡双极型晶体管测试的电性能与未氢气浸泡的开帽双极型晶体管测试的电性能进行分析对比；
当氢气浸泡双极型晶体管测试的电性能与未氢气浸泡的开帽双极型晶体管测试的电性能相比电流增益倒数的变化量无显著变化时，则判断辐照源所产生的辐射效应属于位移效应；
当氢气浸泡双极型晶体管测试的电性能与未氢气浸泡的开帽双极型晶体管测试的电性能相比电流增益倒数的变化量显著增大，且变化趋势相同时，，则判断辐照源所产生的辐射效应属于电离效应；
当氢气浸泡双极型晶体管测试的电性能与未氢气浸泡的开帽双极型晶体管测试的电性能相比电流增益倒数的变化量显著增大，但变化趋势不相同时，则判断辐照源所产生的辐射效应既有电离效应又有位移效应，即电离/位移协同效应。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤二中利于氢气浸泡装置，在氢气体积浓度为50％～100％气氛下气氛下对开帽的双极型晶体管进行氢气浸泡，浸泡氢气压力0.1MPa～1MPa，浸泡温度为50℃～200℃，浸泡时间48h～168h，得到氢气浸泡双极型晶体管。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同点是：步骤二中利于氢气浸泡装置，在氢气气氛下对开帽的双极型晶体管进行氢气浸泡，浸泡氢气压力0.1MPa～1MPa，浸泡温度为100℃～150℃，浸泡时间72h～144h，得到氢气浸泡双极型晶体管。其他与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同点是：步骤三中所述的辐射源为光子、中子或带电粒子。其他与具体实施方式一至三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同点是：所述带电粒子为重离子、电子或质子。其他与具体实施方式一至四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同点是：步骤一中所述的双极型晶体管为硅基双极型晶体管。其他与具体实施方式一至五相同。
辐射源在辐照过程中，在硅基双极型晶体管的SiO2层中不同形式氢的存在会促进氧化物电荷和界面态陷阱的产生，导致硅基双极型晶体管电离辐射损伤加剧。而氢的存在不会影响位移损伤效应。本实施方式利用氢气浸泡硅基双极型晶体管，能够快速判定辐照源产生属于位移效应、电离效应或电离/位移协同效应。
本发明内容不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方式的组合同样也可以实现发明的目的。
采用下述试验验证本发明效果
实施例1：一种基于氢气处理快速确定辐照源在双极晶体管中产生辐射效应的方法，具体是按以下步骤完成的：
一、将NPN型晶体管进行开帽，得到开帽的NPN型晶体管；
二、利于氢气浸泡装置，在氢气气氛下对开帽的双极型晶体管进行氢气浸泡，浸泡氢气压力0.5MPa，浸泡温度为100℃，浸泡时间108h，得到氢气浸泡双极型晶体管；
三、以步骤一得到的开帽的NPN型晶体管作为未氢气浸泡的开帽NPN型晶体管，在40MeV Si离子作为辐射源辐照氢气浸泡NPN型晶体管和未氢气浸泡的开帽NPN型晶体管，在辐照过程中，对氢气浸泡双极型晶体管和未氢气浸泡的开帽双极型晶体管的电性能进行原位测试；
四、对氢气浸泡NPN型晶体管测试的电性能与未氢气浸泡的开帽NPN型晶体管测试的电性能进行分析对比；
通过检测可知氢气浸泡NPN型晶体管测试的电性能与未氢气浸泡的开帽NPN型晶体管测试的电性能相比电流增益倒数的变化量无显著变化时，因此判断在40MeV下Si离子辐照NPN型晶体管产生辐射效应属于位移效应。
图1是40MeV Si离子辐照NPN型晶体管电流增益倒数的变化量曲线图，图中□表示氢气浸泡NPN型晶体管的辐照后电流增益倒数的变化量曲线，图中●表示未氢气浸泡的开帽NPN型晶体管的辐照后电流增益倒数的变化量曲线；通过图1可知电流增益倒数变化量随辐照注量的变化关系，随着辐照注量的增加，NPN型晶体管的电流增益倒数的变化量呈线性增加。而在相同的辐照注量下，氢气浸泡NPN型晶体管和未氢气浸泡的开帽NPN型晶体管的电流增益倒数的变化量几乎相同。因此40MeV Si离子辐照NPN型晶体管主要产生位移效应。氢气不影响40MeV Si离子辐照过程中在NPN型晶体管产生的位移效应和电性能退化，有无氢气浸泡NPN型晶体管40MeV Si离子辐照时电性能退化和效应特征相同。因此，利用氢气浸泡双极晶体管，能够快速判定辐照源产生辐射效应。
实施例2：实施例1验证检测：在辐照注量为1.6×1012cm-2下利用深能级瞬态谱仪对氢气浸泡NPN型晶体管和未氢气浸泡的开帽NPN型晶体管测试。
图2是辐照注量为1.6×1012cm-2下40MeV Si离子辐照的NPN晶体管的深能级瞬态谱，图中■表示氢气浸泡NPN型晶体管的DLTS曲线，图中●表示未氢气浸泡的开帽NPN型晶体管的DLTS曲线；由图2可知，氢气浸泡NPN型晶体管和未氢气浸泡的开帽NPN型晶体管均产生相同的位移效应，进一步确定在40MeV Si离子辐照NPN型晶体管产生辐射效应属于位移效应。即实施例1的判断是正确的。
实施例3：一种基于氢气处理快速确定辐照源在双极晶体管中产生辐射效应的方法，具体是按以下步骤完成的：
一、将NPN型晶体管进行开帽，得到开帽的NPN型晶体管；
二、利于氢气浸泡装置，在氢气气氛下对开帽的双极型晶体管进行氢气浸泡，浸泡氢气压力0.5MPa，浸泡温度为100℃，浸泡时间108h，得到氢气浸泡双极型晶体管；
三、以步骤一得到的开帽的NPN型晶体管作为未氢气浸泡的开帽NPN型晶体管，在100rad/s下以60Coγ射线作为辐射源辐照氢气浸泡NPN型晶体管和未氢气浸泡的开帽NPN型晶体管，在辐照过程中，对氢气浸泡双极型晶体管和未氢气浸泡的开帽双极型晶体管的电性能进行原位测试；
四、对氢气浸泡NPN型晶体管测试的电性能与未氢气浸泡的开帽NPN型晶体管测试的电性能进行分析对比；
通过检测可知氢气浸泡NPN型晶体管测试的电性能与未氢气浸泡的开帽NPN型晶体管测试的电性能相比电流增益倒数的变化量显著增大，但变化趋势相同，因此判断在60Coγ射线辐照NPN型晶体管产生辐射效应属于电离效应。
图3是100rad/s下以60Coγ射线辐照的NPN型晶体管电流增益倒数的变化量曲线图，图中●表示氢气浸泡NPN型晶体管的辐照后电流增益倒数的变化量曲线，图中■表示未氢气浸泡的开帽NPN型晶体管的辐照后电流增益倒数的变化量曲线；通过图3可知电流增益倒数变化量随辐照注量的变化关系，随着辐照注量的增加，氢气浸泡NPN型晶体管和未氢气浸泡的开帽NPN型晶体管的电流增益倒数的变化量逐渐增加，且变化趋势相同。在相同的辐照注量下，氢气浸泡NPN型晶体管与未氢气浸泡的开帽NPN型晶体管相比，氢气浸泡NPN型晶体管的电流增益倒数的变化量增大，且氢气浸泡NPN型晶体管辐照后电流增益倒数的变化量曲线相当于未氢气浸泡的开帽NPN型晶体管辐照后电流增益倒数的变化量曲线纵向移动，这一现象说明，氢气明显加剧了晶体管电性能损伤程度。因此在60Coγ射线辐照NPN型晶体管产生辐射效应属于电离效应。氢气显著影响60Coγ射线辐照过程中在NPN型晶体管产生的电离效应和电性能退化。因此，利用氢气浸泡双极晶体管，能够快速判定辐照源产生辐射效应。
实施例4：实施例3验证检测：在吸收剂量为100krad下利用深能级瞬态谱仪对氢气浸泡NPN型晶体管和未氢气浸泡的开帽NPN型晶体管测试。
图4是100krad下60Coγ射线辐照的NPN型晶体管的深能级瞬态谱，图中■表示氢气浸泡NPN型晶体管的DLTS曲线，图中●表示未氢气浸泡的开帽NPN型晶体管的DLTS曲线；由图4可知，氢气浸泡NPN型晶体管和未氢气浸泡的开帽NPN型晶体管均产生相同的电离效应，但电离效应能级位置发生改变，进一步确定在60Coγ射线辐照NPN型晶体管产生辐射效应属于电离效应。即实施例3的判断是正确的。
实施例5：一种基于氢气处理快速确定辐照源在双极晶体管中产生辐射效应的方法，具体是按以下步骤完成的：
一、将NPN型晶体管进行开帽，得到开帽的NPN型晶体管；
二、利于氢气浸泡装置，在氢气气氛下对开帽的双极型晶体管进行氢气浸泡，浸泡氢气压力0.5MPa，浸泡温度为100℃，浸泡时间108h，得到氢气浸泡双极型晶体管；
三、以步骤一得到的开帽的NPN型晶体管作为未氢气浸泡的开帽NPN型晶体管，在1MeV下以电子作为辐射源辐照氢气浸泡NPN型晶体管和未氢气浸泡的开帽NPN型晶体管，在辐照过程中，对氢气浸泡双极型晶体管和未氢气浸泡的开帽双极型晶体管的电性能进行原位测试；
四、对氢气浸泡NPN型晶体管测试的电性能与未氢气浸泡的开帽NPN型晶体管测试的电性能进行分析对比；
通过检测可知氢气浸泡NPN型晶体管测试的电性能与未氢气浸泡的开帽NPN型晶体管测试的电性能相比电流增益倒数的变化量显著增大，但变化趋势不相同，因此判断在1MeV下电子辐照NPN型晶体管产生辐射效应属于电离效应和位移效应，即电离/位移协同效应。
图5是1MeV电子辐照NPN型晶体管电流增益倒数的变化量曲线图，图中●表示氢气浸泡NPN型晶体管的辐照后电流增益倒数的变化量曲线，图中■表示未氢气浸泡的开帽NPN型晶体管的辐照后电流增益倒数的变化量曲线；通过图5可知电流增益倒数变化量随辐照注量的变化关系，随着辐照注量的增加，氢气浸泡NPN型晶体管和未氢气浸泡的开帽NPN型晶体管的电流增益倒数的变化量逐渐增加，并趋于饱和，但变化趋势不相同。在相同的辐照注量下，氢气浸泡NPN型晶体管与未氢气浸泡的开帽NPN型晶体管相比，氢气浸泡NPN型晶体管的电流增益倒数的变化量增大，说明氢气明显加剧了晶体管电性能损伤程度。但氢气浸泡NPN型晶体管辐照后电流增益倒数的变化量曲线与未氢气浸泡的开帽NPN型晶体管辐照后电流增益倒数的变化量曲线的变化趋势明显不同，即通过纵向移动，两条曲线不可能重合或基本重合，说明在1MeV下电子辐照NPN型晶体管产生辐射效应属于电离效应和位移效应，即电离/位移协同效应。因此，利用氢气浸泡双极晶体管，能够快速判定辐照源产生辐射效应。
实施例6：实施例5验证检测：在辐照注量为3.0×1014e/cm2下利用深能级瞬态谱仪对氢气浸泡NPN型晶体管和未氢气浸泡的开帽NPN型晶体管测试。
图6是辐照注量为3.0×1014e/cm2下1MeV电子辐照NPN晶体管的深能级瞬态谱，图中■表示氢气浸泡NPN型晶体管的DLTS曲线，图中●表示未氢气浸泡的开帽NPN型晶体管的DLTS曲线；由图6可知，氢气浸泡NPN型晶体管和未氢气浸泡的开帽NPN型晶体管产生类似的位移效应和电离效应。氢气浸泡NPN型晶体管与未氢气浸泡的开帽NPN型晶体管相比，氢气浸泡NPN型晶体管位移效应峰(V-O)位置不变，电离效应(E1和E2)峰位置均发生改变，进一步确定在1MeV下电子辐照NPN型晶体管产生辐射效应属于电离/位移协同效应。即实施例5的判断是正确的。

Claims (6)

1.一种基于氢气处理快速确定辐照源在双极晶体管中产生辐射效应的方法，其特征在于它是按以下步骤完成的：
一、将双极型晶体管进行开帽，得到开帽的双极型晶体管；
二、利于氢气浸泡装置，在氢气体积浓度为50％～100％气氛下对开帽的双极型晶体管进行氢气浸泡，浸泡氢气压力0.001MPa～5MPa，浸泡温度为20℃～300℃，浸泡时间≥48h，得到氢气浸泡双极型晶体管；
三、以步骤一得到的开帽的双极型晶体管作为未氢气浸泡的开帽双极型晶体管，采用辐射源对氢气浸泡双极型晶体管和未氢气浸泡的开帽双极型晶体管，在辐照过程中，对氢气浸泡双极型晶体管和未氢气浸泡的开帽双极型晶体管的电性能进行原位测试；
四、对氢气浸泡双极型晶体管测试的电性能与未氢气浸泡的开帽双极型晶体管测试的电性能进行分析对比；
当氢气浸泡双极型晶体管测试的电性能与未氢气浸泡的开帽双极型晶体管测试的电性能相比电流增益倒数的变化量无显著变化时，则判断辐照源所产生的辐射效应属于位移效应；
当氢气浸泡双极型晶体管测试的电性能与未氢气浸泡的开帽双极型晶体管测试的电性能相比电流增益倒数的变化量显著增大，且变化趋势相同时，则判断辐照源所产生的辐射效应属于电离效应；
当氢气浸泡双极型晶体管测试的电性能与未氢气浸泡的开帽双极型晶体管测试的电性能相比电流增益倒数的变化量显著增大，但变化趋势不相同时，则判断辐照源所产生的辐射效应既有电离效应又有位移效应，即电离/位移协同效应。
2.根据权利要求1所述的一种基于氢气处理快速确定辐照源在双极晶体管中产生辐射效应的方法，其特征在于步骤二中利于氢气浸泡装置，在氢气体积浓度为50％～100％气氛下气氛下对开帽的双极型晶体管进行氢气浸泡，浸泡氢气压力0.1MPa～1MPa，浸泡温度为50℃～200℃，浸泡时间48h～168h，得到氢气浸泡双极型晶体管。
3.根据权利要求1所述的一种基于氢气处理快速确定辐照源在双极晶体管中产生辐射效应的方法，其特征在于步骤二中利于氢气浸泡装置，在氢气气氛下对开帽的双极型晶体管进行氢气浸泡，浸泡氢气压力0.1MPa～1MPa，浸泡温度为100℃～150℃，浸泡时间72h～144h，得到氢气浸泡双极型晶体管。
4.根据权利要求1所述的一种基于氢气处理快速确定辐照源在双极晶体管中产生辐射效应的方法，其特征在于步骤三中所述的辐射源为光子、中子或带电粒子。
5.根据权利要求4所述的一种基于氢气处理快速确定辐照源在双极晶体管中产生辐射效应的方法，其特征在于所述带电粒子为重离子、电子或质子。
6.根据权利要求1所述的一种基于氢气处理快速确定辐照源在双极晶体管中产生辐射效应的方法，其特征在于步骤一中所述的双极型晶体管为硅基双极型晶体管。
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