CN108414613A - 一种半导体材料辐照损伤的表征方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种半导体材料辐照损伤的表征方法,该方法包括:制备待测样品并测量生成第一磁化曲线;根据所述第一磁化曲线计算所述待测样品的第一缺陷数量;辐照所述待测样品并测量生成第二磁化曲线;根据所述第二磁化曲线计算经辐照后的所述待测样品的第二缺陷数量;根据所述第一缺陷数量和所述第二缺陷数量计算所述待测样品在辐照过程中产生的第三缺陷数量。在半导体材料中,初次碰撞产生的点缺陷(如空位)通常都是顺磁性的,且其磁滞回线满足布里渊函数,因此可以通过布里渊函数的拟合计算出顺磁性中心缺陷的数量,从而确定因小剂量辐照产生的缺陷数量。
Description
技术领域
本发明涉及测量测试技术领域,特别是涉及一种半导体材料辐照损伤的表征方法。
背景技术
半导体器件因为具有禁带宽度大和抗辐照能力强的优点,被越来越多的用到反应堆和航空航天领域中,其中,尤其是第三代半导体材料SiC(碳化硅),具有禁带宽度大,临界击穿场强高、热导率和电子饱和速率高等优点,非常适合制作高压、高温、高频、大功率半导体器件,在反应堆和航空航天领域得到了广泛的应用。
目前,在反应堆和航空航天领域中,宽近代半导体材料器件在高能粒子辐照的条件下往往在较低剂量注入的条件下就会失效,因此对于这种注入条件下的损伤的研究就成为寻找器件失效原因进而提升器件性能的关键。尤其是半导体材料在小剂量的高能中子注入的条件下,其内部就会产生大量带有电荷的缺陷,因此半导体材料往往在高能中子注入剂量较低时就会失效,因此研究半导体材料经小剂量高能中子辐照造成的损伤成为确定半导体材料失效原因的关键。例如,一般SiC探测器材料在中子辐照剂量达到1015个/cm2时探测效率就已经失效,因此分析SiC探测器材料在辐照微小剂量的条件下,研究其失效机理就成为提升SiC探测器材料性能的关键。
但是,目前对于小剂量条件注入下产生的损伤常见的材料学表征方法都不能很好地进行表征。比如电子顺磁共振(EPR)能够测量出缺陷的类型但是不能提供缺陷的浓度,深能级瞬态谱(DLTS)虽然能够进行浓度的测试,但是当缺陷浓度小于1014个/cm2时也不能很好地进行表征,因此如何表征高能粒子低剂量对半导体材料造成的微小损伤成为了一个难题。
发明内容
为解决现有技术存在的技术缺陷和不足,本发明提出一种半导体材料辐照损伤的表征方法。
具体地,本发明一个实施例提出的一种半导体材料辐照损伤的表征方法,包括:
制备待测样品并测量生成第一磁化曲线;
根据所述第一磁化曲线计算所述待测样品的第一缺陷数量;
辐照所述待测样品并测量生成第二磁化曲线;
根据所述第二磁化曲线计算经辐照后的所述待测样品的第二缺陷数量;
根据所述第一缺陷数量和所述第二缺陷数量计算所述待测样品在辐照过程中产生的第三缺陷数量。
在本发明的一个实施例中,测量生成第一磁化曲线,包括:
将液氦或者液氮通入超导量子干涉磁强计中;
利用所述超导量子干涉磁强计测量所述待测样品以生成所述第一磁化曲线。
在本发明的一个实施例中,根据所述第一磁化曲线计算所述待测样品的第一缺陷数量,包括:
利用所述第一磁化曲线与布里渊函数进行拟合;
根据所述拟合结果计算所述待测样品的第一缺陷数量。
在本发明的一个实施例中,辐照所述待测样品并测量生成第二磁化曲线,包括:
将所述待测样品放置在中子源中进行指定剂量的辐照;
将液氦或者液氮通入超导量子干涉磁强计中;
利用所述超导量子干涉磁强计测量辐照后的所述待测样品以生成所述第二磁化曲线。
在本发明的一个实施例中,所述指定剂量不大于1014个/cm2辐照剂量。
在本发明的一个实施例中,根据所述第二磁化曲线计算经辐照后的所述待测样品的第二缺陷数量,包括:
利用所述第二磁化曲线与布里渊函数进行拟合;
根据拟合结果计算经辐照后的所述待测样品的第二缺陷数量。
在本发明的一个实施例中,根据所述第一缺陷数量和所述第二缺陷数量计算待测样品在辐照过程中产生的第三缺陷数量,包括:
计算所述第二缺陷数量与所述第一缺陷数量的差值以获得所述待测样品在辐照过程中产生的第三缺陷数量。
在本发明的一个实施例中所述布里渊函数的公式为:
其中,变量x=gμBJH/kBT,参数g为因子,J为总角动量量子数,μB为波尔磁子,H为外加变化的磁场,M=磁化强度,N为缺陷数量,kB为玻尔兹曼常数,T为温度。
在本发明的一个实施例中,在计算待测样品经辐照产生的缺陷数量之后,还包括:
确定待测样品经辐照产生的缺陷种类。
在本发明的一个实施例中,所述待测样品为SiC、GaN或金刚石。
本发明实施例,具备如下优点:
1、在半导体材料中,初次碰撞产生的点缺陷(如空位)通常都是顺磁性的,且其磁滞回线满足布里渊函数,因此可以通过布里渊函数的拟合计算出顺磁性中心缺陷的数量,从而确定因小剂量辐照产生的缺陷数量。
2、本发明所采用的超导量子干涉磁强计的测试最小精度可以达到10-8emu,假设每一个点缺陷都含有一个波尔磁子的话,那么超导量子干涉磁强计的最小探测浓度接近1012个/样品体积,因此利用超导量子干涉磁强计可以精确的测量顺磁性中心缺陷的数量。
3、本发明所采用的表征方法是一种全局性的测试手段。通过分别对器件中的不同待测样品中的磁滞回线进行布里渊方程的拟合,从而集合得到一个器件的平均波尔磁子以及平均波尔磁子对应的顺磁性中心缺陷的数量,通过上述两个参数就能体现整体器件的损伤水平,并进一步确定存在的缺陷种类,通过缺陷数量和缺陷种类来评估产生的缺陷对器件性能退化的影响。
通过以下参考附图的详细说明,本发明的其它方面和特征变得明显。但是应当知道,该附图仅仅为解释的目的设计,而不是作为本发明的范围的限定,这是因为其应当参考附加的权利要求。还应当知道,除非另外指出,不必要依比例绘制附图,它们仅仅力图概念地说明此处描述的结构和流程。
附图说明
下面将结合附图,对本发明的具体实施方式进行详细的说明。
图1为本发明实施例提供的一种半导体材料辐照损伤的表征方法的流程示意图;
图2为本发明实施例提供的一种利用超导量子干涉磁强计测量生成磁化曲线的示意图;
图3为本发明实施例提供的另一种利用超导量子干涉磁强计测量生成磁化曲线的示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
实施例一
请参见图1,图1为本发明实施例提供的一种半导体材料辐照损伤的表征方法的流程示意图。该表征方法包括:
步骤a、制备待测样品并测量生成第一磁化曲线;
步骤b、根据所述第一磁化曲线计算待测样品的第一缺陷数量;
步骤c、辐照待测样品并测量生成第二磁化曲线;
步骤d、根据所述第二磁化曲线计算经辐照后的待测样品的第二缺陷数量;
步骤e、根据所述第一缺陷数量和所述第二缺陷数量计算待测样品在辐照过程中产生的第三缺陷数量。
其中,步骤a包括:
将液氦或者液氮通入超导量子干涉磁强计中;
利用超导量子干涉磁强计测量待测样品以生成第一磁化曲线。
其中,步骤b包括:
利用第一磁化曲线与布里渊函数进行拟合;
根据拟合结果计算待测样品的第一缺陷数量。
其中,步骤c包括:
将待测样品放置在中子源中进行指定剂量的辐照;
将液氦或者液氮通入超导量子干涉磁强计中;
利用超导量子干涉磁强计测量辐照后的待测样品以生成第二磁化曲线。
优选地,指定剂量不大于1014个/cm2辐照剂量。
其中,步骤d包括:
利用第二磁化曲线与布里渊函数进行拟合;
根据拟合结果计算经辐照后的待测样品的第二缺陷数量。
其中,步骤e包括:
计算第二缺陷数量与第一缺陷数量的差值以获得待测样品在辐照过程中产生的第三缺陷数量。
其中,布里渊函数的公式为:
其中,变量x=gμBJH/kBT(变量),参数g为因子,J为总角动量量子数,μB为波尔磁子,H为外加变化的磁场,M=磁化强度,N为缺陷数量,kB为玻尔兹曼常数,T为温度。
其中,在步骤e之后,还包括:
确定待测样品经辐照产生的缺陷种类。
优选地,待测样品为SiC、GaN或金刚石。
本实施例的有益效果:
利用本实施例的表征方法能够表征待测样品的缺陷数量,并确定待测样品的缺陷种类,从而能够确定利用待测样品制备的半导体器件的缺陷数量和缺陷种类,本实施例的表征方法能够表征小剂量辐照造成的损伤,具有较高的灵敏度和效率,而且其表征结果的准确率也有较大的改善。
实施例二
请参见图2和图3,图2为本发明实施例提供的一种利用超导量子干涉磁强计测量生成磁化曲线的示意图,图3为本发明实施例提供的另一种利用超导量子干涉磁强计测量生成磁化曲线的示意图。在上述实施例的基础上,本实施例将对本发明的表征方法进行详细介绍。
步骤1、制备待测样品;
步骤1.1、选取待测样品,按照规定尺寸加工待测样品。
优选地,待测样品为SiC、GaN或金刚石。
优选地,规定尺寸为3×3mm、5×5mm或5×10mm。
步骤2、测量待测样品的第一磁化曲线;
步骤2.1、向超导量子干涉磁强计中通入液氦或液氮;
步骤2.2、在5K的温度下,利用超导量子干涉磁强计对待测样品进行测量,从-10000Oe到10000Oe的磁场条件下测量待测样品生成第一磁化曲线。
其中,第一磁化曲线为磁化强度随外加磁场变化的曲线。
步骤3、计算待测样品的第一缺陷数量;
步骤3.1、利用第一磁化曲线与布里渊函数进行拟合。布里渊函数如下所示:
其中,变量x=gμBJH/kBT,参数g为因子,J为总角动量量子数,μB为波尔磁子,H为外加变化的磁场,M=磁化强度,N为缺陷数量,kB为玻尔兹曼常数,T为温度。
步骤3.1.1将第一磁化曲线进行单位转换,即将第一磁化曲线采用的单位Oe(奥斯特)转换为T(特斯拉),其中,10000Oe=1T;
步骤3.1.2利用C语言将布里渊函数转换为拟合函数,其中拟合函数如下所示:
y=N·g·J·((2·J+1)/(2·J)·(cosH((2·J+1)/(2·J)·(g·J·uB·x/kB/T))/sinH((2·J+1)/(2·J)·(g·J·uB·x/kB/T)))(1/2/J)·cosH((g·J·uB·x/kB/T)/2/J)/sinH((g·J·uB·x/kB/T)/2/J));
步骤3.1.3将拟合函数的单位进行变换,即将emu转换为μB(波尔磁子),将Oe(奥斯特)转换为T(特斯拉),其中,1emu=1.08×1020μB,10000Oe=1T;
步骤3.1.4将第一磁化曲线的数据导入数据分析软件中,在数据分析软件中写入拟合函数,同时采用拟合迭代算法进行拟合,获得拟合生成的第一拟合磁化曲线,如图2所示为第一磁化曲线与第一拟合磁化曲线的对比结果。
优选地,拟合迭代算法采用Levenberg Marquardt算法(麦夸特法算法)。
步骤3.2、利用拟合结果计算出待测样品顺磁性中心的第一缺陷数量N1;
其中,g=2,J=0.5,μB=9.27×10-24J/K,kB=1.38×10-23J/K,T=5K。
步骤4、测量待测样品的第二磁化曲线;
步骤4.1、向超导量子干涉磁强计中通入液氦或液氮;
步骤4.2、将待测样品放置在中子源中按照指定计量进行辐照;
步骤4.3、在5K的温度下,利用超导量子干涉磁强计对经过辐照的待测样品进行测量,从-10000Oe到10000Oe的磁场条件下测量待测样品生成第二磁化曲线。
优选地,中子源为反应堆或加速器。
优选地,指定剂量不大于1014个/cm2辐照剂量。
步骤5、计算辐照后的所述待测样品的第二缺陷数量;
步骤5.1、利用第二磁化曲线与布里渊函数进行拟合;
步骤5.1.1将第二磁化曲线进行单位转换,即将第二磁化曲线采用的单位Oe(奥斯特)转换为T(特斯拉),其中,10000Oe=1T;
步骤5.1.2利用C语言将布里渊函数转换为拟合函数,其中拟合函数如下所示:
y=N·g·J·((2·J+1)/(2·J)·(cosH((2·J+1)/(2·J)·(g·J·uB·x/kB/T))/sinH((2·J+1)/(2·J)·(g·J·uB·x/kB/T)))(1/2/J)·cosH((g·J·uB·x/kB/T)/2/J)/sinH((g·J·uB·x/kB/T)/2/J));
步骤5.1.3将拟合函数的单位进行变换,即将emu转换为μB(波尔磁子),将Oe(奥斯特)转换为T(特斯拉),其中,1emu=1.08×1020μB,10000Oe=1T;
步骤5.1.4将第二磁化曲线的数据导入数据分析软件中,在数据分析软件中写入拟合函数,同时采用拟合迭代算法进行拟合,获得拟合生成的第二拟合磁化曲线,如图3所示为第二磁化曲线与拟合生成的第二拟合磁化曲线的对比结果。
优选地,拟合迭代算法采用Levenberg Marquardt算法(麦夸特法算法)。
步骤5.2、利用拟合结果计算出辐照后待测样品顺磁性中心的第二缺陷数量N2;
其中,g=2,J=0.5,μB=9.27×10-24J/K,kB=1.38×10-23J/K,T=5K。
步骤6、计算待测样品在辐照过程中产生的第三缺陷数量
步骤6.1、计算待测样品顺磁性中心的第二缺陷数量N2与待测样品顺磁性中心的第一缺陷数量N1的差值,即ΔN=N2-N1,其中,ΔN为待测样品在辐照过程中产生的第三缺陷数量。
步骤7、确定待测样品经辐照产生的缺陷种类;
步骤7.1、利用电子顺磁共振(EPR)对待测样品的缺陷进行测试,确定待测样品缺陷的种类。
步骤8、计算待测器件的总缺陷数量
步骤8.1、制备多个待测样品,其中所有待测样品均用于制备待测器件;
步骤8.2、根据步骤1-步骤6的方法计算每个待测样品因为辐照产生的缺陷数量;
步骤8.3、根据步骤7的方法确定每个待测样品的缺陷种类;
步骤8.4、利用所有待测样品制备待测器件;
步骤8.4、利用公式计算待测器件的总缺陷数量。
其中,公式为:总缺陷数量=(ΔN/待测样品的面积)×待测器件面积。
优选地,当中子源辐照剂量为反应堆或加速器。
本实施例的有益效果:
1、本实施例提供了一种中子辐照下SiC晶体的微小损伤的表征方法。在小计量的高能中子注入条件下,SiC晶体的内部会产生大量的带有电荷的缺陷,这种缺陷由于在SiC晶体内部所以不容易被一般的表面表征手段所检测到,但是超导量子干涉磁强计能够很方便的检测到由这样的缺陷产生的顺磁性信号。
2、本实施例选用中子辐照过的宽禁带SiC晶体进行超导量子磁强计测量磁化曲线,之后利用布里渊函数的数值拟合计算出辐照产生的顺磁性中心的数目,最后再通过因辐照产生的缺陷数量和辐照剂量的对比就能得知在该辐照条件下的晶格损伤程度,利用这种方式不仅能够准确的计算小剂量辐照对SiC晶体造成的损伤,从而确定SiC失效的原因,而且操作过程简单且易于实现。
3、本实施例通过采用磁性测量的方法确定因小剂量辐照产生的缺陷数量,解决了小剂量条件下中子辐照损伤无法测量的问题。
4、本实施例通过拟合计算顺磁中心的差值,对于半导体器件在高能中子低辐照剂量的条件下产生缺陷能够进行定量的测量,可以用于分析低剂量高能中子辐照在半导体器件中产生的损伤对器件整体特性的影响。
综上所述,本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本发明的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处,综上所述,本说明书内容不应理解为对本发明的限制,本发明的保护范围应以所附的权利要求为准。
Claims (10)
1.一种半导体材料辐照损伤的表征方法,其特征在于,包括:
制备待测样品并测量生成第一磁化曲线;
根据所述第一磁化曲线计算所述待测样品的第一缺陷数量;
辐照所述待测样品并测量生成第二磁化曲线;
根据所述第二磁化曲线计算经辐照后的所述待测样品的第二缺陷数量;
根据所述第一缺陷数量和所述第二缺陷数量计算所述待测样品在辐照过程中产生的第三缺陷数量。
2.根据权利要求1所述的表征方法,其特征在于,测量生成第一磁化曲线,包括:
将液氦或者液氮通入超导量子干涉磁强计中;
利用所述超导量子干涉磁强计测量所述待测样品以生成所述第一磁化曲线。
3.根据权利要求1所述的表征方法,其特征在于,根据所述第一磁化曲线计算所述待测样品的第一缺陷数量,包括:
利用所述第一磁化曲线与布里渊函数进行拟合;
根据所述拟合结果计算所述待测样品的第一缺陷数量。
4.根据权利要求1所述的表征方法,其特征在于,辐照所述待测样品并测量生成第二磁化曲线,包括:
将所述待测样品放置在中子源中进行指定剂量的辐照;
将液氦或者液氮通入超导量子干涉磁强计中;
利用所述超导量子干涉磁强计测量辐照后的所述待测样品以生成所述第二磁化曲线。
5.根据权利要求4所述的表征方法,其特征在于,所述指定剂量不大于1014个/cm2辐照剂量。
6.根据权利要求1所述的表征方法,其特征在于,根据所述第二磁化曲线计算经辐照后的所述待测样品的第二缺陷数量,包括:
利用所述第二磁化曲线与布里渊函数进行拟合;
根据拟合结果计算经辐照后的所述待测样品的第二缺陷数量。
7.根据权利要求1所述的表征方法,其特征在于,根据所述第一缺陷数量和所述第二缺陷数量计算待测样品在辐照过程中产生的第三缺陷数量,包括:
计算所述第二缺陷数量与所述第一缺陷数量的差值以获得所述待测样品在辐照过程中产生的第三缺陷数量。
8.根据权利要求3或6所述的表征方法,其特征在于,所述布里渊函数的公式为:
其中,变量x=gμBJH/kBT,参数g为因子,J为总角动量量子数,μB为波尔磁子,H为外加变化的磁场,M=磁化强度,N为缺陷数量,kB为玻尔兹曼常数,T为温度。
9.根据权利要求1所述的表征方法,其特征在于,在计算待测样品在辐照过程中产生的缺陷数量之后,还包括:
确定待测样品经辐照产生的缺陷种类。
10.根据权利要求1所述的表征方法,其特征在于,所述待测样品为SiC、GaN或金刚石。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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