CN108334706A - 双极器件位移损伤引起的性能退化的等效评价方法 - Google Patents

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Abstract

双极器件位移损伤引起的性能退化的等效评价方法，涉及在轨双极器件的性能退化评价技术，为了满足针对不同类型辐照源的双极器件辐射损伤进行等效评价的需求。基于地面异种粒子辐照源，确定位移损伤引起的性能退化与位移吸收剂量的函数关系曲线；针对特定轨道和任务要求计算该轨道下的电离吸收剂量DI和位移吸收剂量DD，当双极器件以位移损伤为主时，根据函数关系曲线找到该位移吸收剂量DD所对应的性能退化情况，完成在轨双极器件的性能退化评价。本发明适用于等效评价在轨双极器件的性能退化情况。

Description

双极器件位移损伤引起的性能退化的等效评价方法
技术领域
本发明涉及双极器件位移损伤等效评价方法。
背景技术
由于空间各种高能带电粒子的存在，在轨飞行航天器不可避免地会受其影响，而电子器件在服役过程中受到的影响尤为突出。空间高能带电粒子包括电子、质子及重离子。电子器件损伤主要包括电离辐射效应、位移辐射效应、单粒子效应及其交互作用(例如电离位移协同效应)。在苛刻的空间环境下，不同的带电粒子对电子器件造成不同的性能损伤，这些损伤轻则引起器件性能退化，重则造成航天器整体失效，因此对于电子器件辐照损伤的机理研究不容忽视。
双极晶体管具有良好的电流驱动能力、噪声特性、线性度以及优良的匹配特性等优点，在模拟电路、混合集成电路和BiCMOS电路等多种电子电路中有着重要的应用。这些电路及分立双极晶体管是广泛地应用于空间辐射环境中的重要仪器。因此，通过地面模拟试验进行电子器件在不同条件下的损伤形式及机理分析、寿命预测等成为航天用电子器件一大重要研究课题。
对于带电粒子辐射环境下双极器件辐照损伤及机理的研究中，通过一系列地面模拟已实现了例如低剂量率(ELDRS)效应研究、双极晶体管退火效应的研究、偏置或不同工艺对晶体管辐照效应的研究等。但是，在辐照源的选取上采用的是固定变量的研究手法，即控制单一辐照源。例如，对电子器件进行辐照试验，从而分别进行不同影响因素下器件内电离损伤或位移损伤的机理分析。然而，在实际空间环境中，各种高能带电粒子同时存在，其对电子器件产生的损伤也不是单一和独立的。如何针对不同类型辐照源的双极晶体管辐射损伤进行等效评价是目前难题。因此，应用地面异种粒子的辐照源，针对双极器件进行辐射损伤等效评价研究，具有极大的科学价值和实用价值。如果能够在定量表征空间不同轨道辐射环境的前提下，确定双极器件以位移损伤为主，预测双极器件性能退化规律，这将对空间环境效应地面等效模拟试验具有重大的意义。
发明内容
本发明的目的是为了满足针对不同类型辐照源的双极器件辐射损伤进行等效评价的需求，从而提供双极器件位移损伤引起的性能退化的等效评价方法。
本发明所述的双极器件位移损伤引起的性能退化的等效评价方法，包括以下步骤：
步骤一、基于地面异种粒子辐照源，确定位移损伤引起的性能退化与位移吸收剂量的函数关系曲线；
步骤二、针对特定轨道和任务要求计算该轨道下的电离吸收剂量DI和位移吸收剂量DD，当双极器件以位移损伤为主时，根据步骤一的函数关系曲线找到该位移吸收剂量DD所对应的性能退化情况，完成对在轨双极器件的性能退化的评价。
优选的是，当log(DI/DD)小于3时，认定双极器件以位移损伤为主。
优选的是，步骤一具体包括以下步骤：
步骤一一、确定双极器件的中性基区范围，发射极与中性基区的边界距上表面的距离为t1，中性基区与集电区的边界距上表面的距离为t2，则中性基区的厚度为t2-t1
步骤一二、选定粒子，该粒子满足如下两个条件：
(1)射程不小于2t2，
(2)比例关系系数αi小于3，αi＝log(Di/Dd)，Di和Dd分别为该粒子在中性基区内的电离吸收剂量和位移吸收剂量；
步骤一三、基于步骤一二选定的粒子进行辐照试验，测试双极器件中性基区的典型电性能参数与辐照注量的函数关系曲线；
步骤一四、将辐照注量点Φn转换为位移吸收剂量点DT，DT＝Φn·Dd；
将典型电性能参数与辐照注量的函数关系曲线转换为典型电性能参数与位移吸收剂量的函数关系曲线；
更换粒子，并重复步骤一二至步骤一四，直至得到至少三种粒子的典型电性能参数与位移吸收剂量的函数关系曲线；
步骤一五、将得到的多条函数关系曲线进行拟合即得到性能退化与位移吸收剂量的函数关系曲线。
优选的是，所述粒子为电子、质子、中子或重离子。
本发明针对双极器件，基于地面异种粒子辐照源，建立性能退化物理和数学模型，来等效模拟其他辐照源辐射损伤的地面等效模拟试验方法，并实现预测空间在轨辐照条件下双极器件的性能退化特征，达到节约试验时间、降低试验成本及预测在轨性能退化的目的。
附图说明
图1是双极器件的结构示意图；
图2是采用不同能量或类型的重离子辐照时，双极晶体管电流增益倒数变化量随辐照注量的变化关系图；
图3是采用单个不同能量或类型的重离子辐照时在双极器件中性基区产生的电离和位移吸收剂量图；
图4是电流增益倒数变化量随位移吸收剂量的变化关系图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
本实施方式基于地面异种粒子辐照源建立性能退化模型，来等效模拟其他辐照源辐射损伤的地面等效模拟试验方法，并实现预测空间在轨辐照条件下双极器件的性能退化特征，其应用对象包括双极晶体管及其他类型的双极工艺器件。该技术在分析器件辐射损伤敏感部位的基础上，仅通过选择地面异种粒子能量和种类，在合适的辐照通量条件下进行辐照试验，就可建立双极器件性能退化模型。双极器件的结构如图1所示，其中位移效应敏感区为中性基区，即图中1所示的区域，P-epi为P-外延层，N+Sub为N+衬底。在进行不同类型带电粒子辐射损伤时，需针对该区域进行。
粒子辐照会在双极晶体管的中性基区中产生间隙原子—空位对。这些间隙原子和空位在室常温条件下活动能力强，大部分将发生复合作用。未发生复合的间隙原子/空位会最终形成稳定的缺陷。这些稳定的缺陷，会在双极晶体管的半导体材料禁带中产生新的俘获和复合能级，导致载流子在半导体中的输运状态发生改变，对双极晶体管及其他双极工艺器件的寿命和可靠性会产生极大的影响。不同类型粒子辐照，在单位时间内形成的稳定缺陷数量和状态不同。即在半导体中产生的缺陷类型、能级及浓度不同，致使器件性能退化的差异较大。
本实施方式针对双极工艺器件，基于地面异种粒子能量和种类的辐照，来归一化其他粒子辐照的损伤程度，并预测双极晶体管在轨位移损伤性能退化规律，步骤简单，易于操作。本实施方式所提出的技术途径能够大幅度降低试验的费用，并且提高了试验操作人员的安全性和缩短试验时间，对双极晶体管和其他双极工艺器件空间环境效应地面模拟试验和研究具有重大的意义。在空间环境效应研究与抗辐照加固技术应用中，有着明显的优势和广泛的应用前景。
双极器件位移损伤引起的性能退化的等效评价方法，包括以下步骤：
步骤一、基于地面异种粒子辐照源，确定位移损伤引起的性能退化与位移吸收剂量的函数关系曲线；
步骤一具体包括以下步骤：
步骤一一、确定双极器件的中性基区范围，发射极与中性基区的边界距上表面的距离为t1，中性基区与集电区的边界距上表面的距离为t2，则中性基区的厚度为t2-t1
步骤一二、基于Monte Carlo方法计算并选定粒子，该粒子满足如下两个条件：
(1)射程不小于2t2，
(2)比例关系系数αi小于3，αi＝log(Di/Dd)，Di和Dd分别为中性基区内的电离吸收剂量和位移吸收剂量；
步骤一三、基于步骤一二选定的粒子进行辐照试验，原位测试测试双极器件中性基区的典型电性能参数与辐照注量的函数关系曲线；在105/cm2～1016/cm2的注量区间至少选择6个注量点；
步骤一四、将辐照注量点Φn转换为位移吸收剂量点DT，DT＝Φn·Dd；
将典型电性能参数与辐照注量的函数关系曲线转换为典型电性能参数与位移吸收剂量的函数关系曲线；
更换粒子，并重复步骤一二至步骤一四，直至得到至少三种粒子的典型电性能参数与位移吸收剂量的函数关系曲线；
步骤一五、将得到的多条函数关系曲线进行拟合即得到性能退化与位移吸收剂量的函数关系曲线。
步骤二、针对特定轨道(GEO、LEO及MEO等)和任务要求(航天器在轨设计寿命)计算该轨道下的电离吸收剂量DI和位移吸收剂量DD，当双极器件以位移损伤为主时，根据步骤一的函数关系曲线找到该位移吸收剂量DD所对应的性能退化情况，完成对在轨双极器件的性能退化的评价。
为了进一步说明该实施方式的普适性，选择不同能量和类型的重离子为辐照源，在不同辐照通量下开展研究。在不同能量和类型的带电粒子辐照时，原位检测双极晶体管电流增益随辐照注量的变化，辐照温度为室温。图2为采用不同能量或类型的重离子辐照时，双极晶体管电流增益倒数变化量随辐照注量的变化关系，纵坐标无量纲。由图中可以看出，采用不同类型的重离子辐照时双极晶体管的损伤程度不同。其中，在相同辐照注量条件下，10MeV Si粒子辐照损伤最大。图3为基于Monte Carlo方法得到的采用单个不同能量或类型的重离子辐照时在双极器件中性基区内产生的电离和位移吸收剂量。基于图3中单个粒子辐照产生的电离和位移吸收剂量，可将图2转化为电流增益倒数变化量随位移吸收剂量的变化关系，如图4所示。由图可见，该方法可将不同类型带电粒子的辐射损伤进行归一化，方便直接预测双极晶体管的在轨性能退化。对于GEO轨道，任务期为10年时，位移吸收剂量为300rad。由图4可准确预测出双极晶体管的在轨性能退化率。

Claims (4)

1.双极器件位移损伤引起的性能退化的等效评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、基于地面异种粒子辐照源，确定位移损伤引起的性能退化与位移吸收剂量的函数关系曲线；
步骤二、针对特定轨道和任务要求计算该轨道下的电离吸收剂量DI和位移吸收剂量DD，当双极器件以位移损伤为主时，根据步骤一的函数关系曲线找到该位移吸收剂量DD所对应的性能退化情况，完成对在轨双极器件的性能退化的评价。
2.根据权利要求1所述的双极器件位移损伤引起的性能退化的等效评价方法，其特征在于，当log(DI/DD)小于3时，认定双极器件以位移损伤为主。
3.根据权利要求1所述的双极器件位移损伤引起的性能退化的等效评价方法，其特征在于，步骤一具体包括以下步骤：
步骤一一、确定双极器件的中性基区范围，发射极与中性基区的边界距上表面的距离为t1，中性基区与集电区的边界距上表面的距离为t2，则中性基区的厚度为t2-t1
步骤一二、选定粒子，该粒子满足如下两个条件：
(1)射程不小于2t2，
(2)比例关系系数αi小于3，αi＝log(Di/Dd)，Di和Dd分别为该粒子在中性基区内的电离吸收剂量和位移吸收剂量；
步骤一三、基于步骤一二选定的粒子进行辐照试验，测试双极器件中性基区的典型电性能参数与辐照注量的函数关系曲线；
步骤一四、将辐照注量点Φn转换为位移吸收剂量点DT，DT＝Φn·Dd；
将典型电性能参数与辐照注量的函数关系曲线转换为典型电性能参数与位移吸收剂量的函数关系曲线；
更换粒子，并重复步骤一二至步骤一四，直至得到至少三种粒子的典型电性能参数与位移吸收剂量的函数关系曲线；
步骤一五、将得到的多条函数关系曲线进行拟合即得到性能退化与位移吸收剂量的函数关系曲线。
4.根据权利要求3所述的双极器件位移损伤引起的性能退化的等效评价方法，其特征在于，所述粒子为电子、质子、中子或重离子。
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