CN108335984A - 一种判断电子器件费米能级发生钉扎效应的方法 - Google Patents
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Abstract
一种判断电子器件费米能级发生钉扎效应的方法，涉及一种电子器件发生费米能级钉扎效应的确定方法。本发明为了解决目前还没有一种针对粒子辐射环境用电子器件发生费米能级钉扎效应的确定方法的问题。本发明首先利用软件计算辐照粒子在芯片材料中单个辐照粒子产生的空位数量，确定辐照粒子种类和能量，然后选择不同辐照注量进行辐照试验，辐照注量点不少于3个并对辐照后器件进行深能级瞬态谱测试；对比按照不同辐照注量的DLTS结果曲线，分别比较深能级缺陷和浅能级缺陷对应的信号峰，如果随着辐照注量的增大，深能级缺陷浓度升高且浅能级缺陷浓度降低，则器件材料发生了费米能级的钉扎效应。本发明适用于电子器件发生费米能级钉扎效应的确定。
Description
技术领域
本发明涉及一种电子器件发生费米能级钉扎效应的确定方法。
背景技术
随着科学技术的发展，人们对电子系统提出了越来越高的抗辐照要求。核爆炸时所产生的中子辐照会造成半导体器件的永久损伤，γ射线会导致存储器中的信号被抹掉或使逻辑运算产生错误。空间和航天技术使人们在外层空间的活动日益增多，但宇宙射线和围绕地球的范艾伦辐射带却时刻在向外层空间飞行用电子系统的可靠性发出挑战。航天飞行器及核潜艇所使用的核反应堆的体积由于要受到限制，使得所使用的控制及测量电子设备不能得到充分的辐射屏蔽，那么提高电子系统的抗辐射能力对于提高整个设备的运行质量和延长使用寿命就非常关键。另外，科学技术的进步，电子器件会面临更多的辐射环境，例如近年来，正在发展的高功率微波武器的电磁辐射也会像核电磁脉冲一样引起电子器件的损伤。
值得注意的是，在空间粒子辐照情况下，若在器件局部产生高浓度的缺陷，就会导致费米能级的钉扎效应。费米能级不随掺杂等而发生位置变化的效应，称为费米能级的钉扎效应。费米能级钉扎效应是半导体物理中的一个重要概念，直接影响半导体材料的电学特性。通常，在半导体中的Fermi能级是容易发生位置变化的。例如，掺入施主杂质即可使Fermi能级移向导带底，半导体变成为n型半导体；掺入受主杂质即可使Fermi能级移向价带顶，半导体变成为p型半导体。产生钉扎效应时，半导体中即使掺入很多的施主或者受主，这些杂质也不能激活，也就不能提供载流子，从而也不会改变费米能级的位置。产生费米能级钉扎效应的原因，与材料的本性有关。
费米能级的钉扎效应会对器件的性能产生很大的影响，因此研究电子器件费米能级的钉扎效应有着重要学术价值和工程实际意义。以往国内外相关研究主要集中于辐照源能量和注量对电子器件性能的影响，且主要针对电离效应和位移效应开展研究，而对于费米能级的钉扎效应研究较少。因此，目前国际上针对电子器件费米能级钉扎效应的确定方法处于空白。这一现状必然会导致粒子辐射环境电子器件发生费米能级钉扎效应的认识不够清楚，从而直接影响到仪器设备乃至航天器运行的可靠性和寿命。
发明内容
本发明是要解决目前还没有一种针对粒子辐射环境用电子器件发生费米能级钉扎效应的确定方法的问题。
一种判断电子器件费米能级发生钉扎效应的方法，包括以下步骤：
一、确定器件芯片的厚度；
二、利用SRIM或Geant4软件，计算辐照粒子在芯片材料中单个辐照粒子产生的空位数量，确定辐照粒子种类和能量：
要求辐照粒子种类为原子序数不小于6的粒子；
辐照粒子能量以单个辐照粒子产生的空位数量大于1000个以上的能量来确定；
三、根据步骤二确定的辐照粒子种类和能量，选择不同辐照注量进行辐照试验，辐照注量点不少于3个；
四、对辐照后器件进行深能级瞬态谱测试，即DLTS测试；
五、对比按照不同辐照注量的DLTS结果曲线，分别比较深能级缺陷和浅能级缺陷对应的信号峰，如果随着辐照注量的增大，深能级缺陷浓度升高，且浅能级缺陷浓度降低，则器件材料发生了费米能级的钉扎效应；否则器件材料未发生费米能级的钉扎效应。
进一步地，步骤三所述的不同辐照注量均大于1.5x1010cm-2。
进一步地，步骤四在进行深能级瞬态谱测试过程中的DLTS设备测试参数正偏电压UP、反偏电压UR通过C-V曲线确定；
所述的C-V曲线是电容随外加电压变化的曲线。
进一步地，步骤四在进行深能级瞬态谱测试过程中的DLTS设备测试参数测试周期tw、脉冲宽度tp通过恒温静态测试确定，保证缺陷完全被填充。
进一步地，步骤四在进行深能级瞬态谱测试过程中的DLTS设备测试参数扫描温度范围T通过器件基片或基区材料的不同类型缺陷能级的位置确定。
本发明具有以下有益效果：
本发明的方法能够有效地判断电子器件费米能级是否发生钉扎效应，利用本发明对电子器件费米能级是否发生钉扎效应的准确率几乎可以达到100％。而且利用本发明判断电子器件费米能级是生钉扎效应的过程简单，容易操作。
附图说明
图1为40MeVSi离子辐照SiC肖特基二极管DLTS结果；
图2为35MeVSi离子辐照双极晶体管的DLTS结果。
具体实施方式
具体实施方式一：
一种判断电子器件费米能级发生钉扎效应的方法，包括以下步骤：
一、确定器件芯片的厚度；
二、利用SRIM或Geant4软件，计算辐照粒子在芯片材料中单个辐照粒子产生的空位数量，确定辐照粒子种类和能量：
要求辐照粒子种类为原子序数不小于6的粒子；
辐照粒子能量以单个辐照粒子产生的空位数量大于1000个以上的能量来确定；
在模拟过程需要器件芯片将所用材料的化学组成元素及各层厚度输入，输入辐照粒子种类和能量。当辐照粒子的单个粒子产生的空位数大于1000个以上，该粒子满足下面辐照试验要求。
SRIM是模拟计算离子在靶材中能量损失和分布的程序组。它采用Monte Carlo方法，利用计算机模拟跟踪一大批入射粒子的运动。粒子的位置、能量损失以及次级粒子的各种参数都在整个跟踪过程中存储下来，最后得到各种所需物理量的期望值和相应的统计误差。该软件可以选择特定的入射离子及靶材种类，并可设置合适的加速电压。可以算不同粒子，以不同的能量，从不同的位置，以不同的角度入射到靶中的情况。
Geant4是由CERN(欧洲核子研究委员会)开发的蒙特卡罗应用软件包，主要用于模拟高能粒子在探测器中输运的物理过程。它可以构造复杂的探测器几何结构，定制感兴趣的粒子与物理过程模型，并且能够跟踪粒子的过程，显示粒子径迹，处理在输运过程中产生的大量数据。
三、根据步骤二确定的辐照粒子种类和能量，选择不同辐照注量进行辐照试验，辐照注量点不少于3个；且所述的不同辐照注量均大于1.5x1010cm-2。
四、对辐照后器件进行深能级瞬态谱测试，即DLTS测试；
五、对比按照不同辐照注量的DLTS结果曲线，分别比较深能级缺陷和浅能级缺陷对应的信号峰，如果随着辐照注量的增大，深能级缺陷浓度升高，且浅能级缺陷浓度降低，则器件材料发生了费米能级的钉扎效应；否则器件材料未发生费米能级的钉扎效应。
具体实施方式二：
本实施方式中步骤四在进行深能级瞬态谱测试过程中的DLTS设备测试参数正偏电压UP、反偏电压UR通过C-V曲线确定；所述的C-V曲线是电容随外加电压变化的曲线。
在进行深能级瞬态谱测试过程中的DLTS设备测试参数测试周期tw、脉冲宽度tp通过恒温静态测试确定，保证缺陷完全被填充。
在进行深能级瞬态谱测试过程中的DLTS设备测试参数扫描温度范围T通过器件基片或基区材料的不同类型缺陷能级的位置确定。
其他步骤和参数与具体实施方式一相同。
实施例：
根据DLTS结果，通常情况下，随着辐照注量的增大，缺陷浓度升高，DLTS信号峰强度也应该随之增大。而若辐照注量的增大，局部缺陷浓度过高，使费米能级钉扎在深能级，使得浅能级无法被DLTS信号填满，则浅能级DLTS峰的信号强度降低，现象反常，则证明发生了费米能级的钉扎效应。
按照具体实施方式二进行实验，结果如图1或图2所示。
图1示出了40MeV Si离子辐照SiC肖特基二极管DLTS结果。其中beforeirradiation表示辐照之前对应的曲线。
图1中，随着辐照注量的增大，0.60eV和0.69eV的两种缺陷随着辐照注量的增大而增大，说明随着辐照注量的增大，缺陷浓度随之升高。而浅能级缺陷信号(0.1eV)随着辐照注量的升高而降低，说明深能级缺陷对费米能级产生了钉扎效应。
图2示出了35MeV Si离子辐照双极晶体管的DLTS结果，其实际是以结区耗尽层电容的变化量对温度(△C-T)的关系的形式表现的。其中E4和E5均为位移缺陷。图2中，随着辐照注量的增大，V2(-/0)+E5缺陷随着辐照注量的增大而增大，说明随着辐照注量的增大，缺陷浓度随之升高。而VO(-/0)和V2(＝/-)浅能级缺陷信号随着辐照注量的升高而降低，说明深能级缺陷对费米能级产生了钉扎效应。
Claims (5)
1.一种判断电子器件费米能级发生钉扎效应的方法，其特征在于，包括以下步骤：
一、确定器件芯片的厚度；
二、利用SRIM或Geant4软件，计算辐照粒子在芯片材料中单个辐照粒子产生的空位数量，确定辐照粒子种类和能量：
要求辐照粒子种类为原子序数不小于6的粒子；
辐照粒子能量以单个辐照粒子产生的空位数量大于1000个以上的能量来确定；
三、根据步骤二确定的辐照粒子种类和能量，选择不同辐照注量进行辐照试验，辐照注量点不少于3个；
四、对辐照后器件进行深能级瞬态谱测试，即DLTS测试；
五、对比按照不同辐照注量的DLTS结果曲线，分别比较深能级缺陷和浅能级缺陷对应的信号峰，如果随着辐照注量的增大，深能级缺陷浓度升高，且浅能级缺陷浓度降低，则器件材料发生了费米能级的钉扎效应；否则器件材料未发生费米能级的钉扎效应。
2.根据权利要求1所述的一种判断电子器件费米能级发生钉扎效应的方法，其特征在于，步骤三所述的不同辐照注量均大于1.5x1010cm-2。
3.根据权利要求1或2所述的一种判断电子器件费米能级发生钉扎效应的方法，其特征在于，步骤四在进行深能级瞬态谱测试过程中的DLTS设备测试参数正偏电压UP、反偏电压UR通过C-V曲线确定；
所述的C-V曲线是电容随外加电压变化的曲线。
4.根据权利要求3所述的一种判断电子器件费米能级发生钉扎效应的方法，其特征在于，步骤四在进行深能级瞬态谱测试过程中的DLTS设备测试参数测试周期tw、脉冲宽度tp通过恒温静态测试确定，保证缺陷完全被填充。
5.根据权利要求4所述的一种判断电子器件费米能级发生钉扎效应的方法，其特征在于，步骤四在进行深能级瞬态谱测试过程中的DLTS设备测试参数扫描温度范围T通过器件基片或基区材料的不同类型缺陷能级的位置确定。
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