双极型器件电离和位移辐射损伤缺陷辨别方法与流程

本发明涉及一种双极型器件电离和位移辐射损伤缺陷辨别方法，属于双极型器件辐射损伤缺陷辨别技术领域。

背景技术：

双极型器件具有优异的电流驱动能力、线性度、低噪声以及优良的匹配特性，是构成双极集成电路的基本单元，在航天器上有广泛的应用。但是，双极型器件对电离辐射效应、位移辐射效应均较为敏感。电离辐照会使双极型器件内产生空穴-电子对，空穴一旦产生，就会被浅能级缺陷俘获，通过极分子跃迁机制发生迁移。当空穴在氧化层中迁移时，会与含氢的缺陷发生反应，并释放出H+，H+被传输到界面时与Si-H键发生反应，形成界面态。而氢的存在，会影响SiO₂层中H+的释放过程，导致氧化物俘获正电荷的形成和退火状态发生改变。

位移损伤是指带电粒子辐照靶材后造成的靶材内原子脱离正常晶格位置，从而产生间隙原子和空位的损伤。除了这些单独的缺陷之外，空位和空位之间，间隙原子和空位之间以及间隙原子和间隙原子之间都可能会产生更多种类复杂的位移复合缺陷。位移缺陷在材料和电子元器件中属于永久性伤害，双极型器件就很容易受到位移缺陷的影响。

迄今为止，针对双极型器件位移损伤的可以通过少子寿命、正电子湮灭及深能级瞬态谱进行表征。而针对双极型器件电离辐射损伤缺陷，尚无理想的试验方法进行定量化的辨别测试。现有的缺陷分析方法，如栅极扫描、亚阈值扫描、中带电压法和电荷抽运技术等，只能针对具有栅极的器件，如MOS和GLPNP型器件进行测量，难以针对常规双极型器件的氧化物俘获正电荷和界面态进行定量分析，尚无法从电离辐射缺陷行为角度来研究双极晶体管的电离辐射损伤机理。这在很大程度上制约了人们对双极型器件空间辐射损伤机理的认识，也不利于对双极型器件在轨服役行为进行量化表征和寿命预测。因此，有必要提出一种针对双极型器件的电离辐射缺陷进行量化表征的方法，这种方法对于揭示双极型器件电离辐射缺陷演化规律及微观物理机制具有重要的意义。目前，深能级瞬态谱仪(DLTS)是检测半导体材料和电子元器件中辐射损伤缺陷的能级、缺陷浓度和俘获截面等诸多信息的最有效方法。但是，如何确定DLTS所检测出来的缺陷类型(指的是电离和位移缺陷)是十分复杂的问题。通常，需要结合等温和等时的退火试验来确定，这需要耗费大量的人力和物力。本发明基于DLTS分析手段，提出快速辨别双极型器件电离和位移辐射损伤缺陷的一种有效方法。本项目的研究成果对于研制新型抗辐照双极器件、优化航天器的选材设计及提高航天器的在轨服役可靠性，都具有重大的意义。

技术实现要素：

针对上述不足，本发明提供一种不用破坏器件结构、准确快速测量出双极型器件氧化物俘获正电荷与界面态的电离缺陷和位移缺陷的辨别方法。

本发明的双极型器件电离和位移辐射损伤缺陷辨别方法，所述方法包括：利用深能级瞬态谱仪对双极型器件的敏感区进行测试，在测试过程中，通过单一改变反偏电压、填充电压、测试周期或脉冲宽度，获取温度扫描测试曲线，根据温度扫描测试曲线中的信号峰，确定该双极型器件为位移缺陷或电离缺陷。

优选的是，所述敏感区为发射结和/或集电结。

优选的是，当单一改变反偏电压，若获得的温度扫描测试曲线的信号峰的位置不随反偏电压的变化而变化，则双极型器件为位移缺陷；若获得的温度扫描测试曲线的信号峰的位置随反偏电压的变化逐渐增加或减小，则双极型器件为电离缺陷。

优选的是，当单一改变填充电压，若获得的温度扫描测试曲线的信号峰的位置不随填充电压的变化而变化，则双极型器件为位移缺陷；若获得的温度扫描测试曲线的信号峰的位置随填充电压的变化逐渐增加或减小，则双极型器件为电离缺陷。

优选的是，当单一改变测试周期，若获得的温度扫描测试曲线的信号峰的高度不随测试周期的变化而变化，则双极型器件为位移缺陷；若获得的温度扫描测试曲线的信号峰的高度随测试周期的变化逐渐增加或减小，则双极型器件为电离缺陷。

优选的是，当单一改变脉冲宽度，若获得的温度扫描测试曲线的信号峰的高度不随脉冲宽度的变化而变化，则双极型器件为位移缺陷；若获得的温度扫描测试曲线的信号峰的高度随脉冲宽度的变化而变化，则双极型器件为电离缺陷。

优选的是，所述双极型器件包括NPN型器件、PNP型器件、数字双极电路、模拟双极电路、数模转换电路和模数转换电路。

本发明的有益效果在于，在电离辐射损伤条件下，针对器件的各个敏感区进行深能级瞬态谱仪DLTS测试，利用本发明的方法在DLTS测试过程中可准确辨别位移缺陷及电离缺陷，并能定量分析测试氧化物电荷和界面态，大大减少测量双极晶体管氧化物俘获正电荷与界面态的难度。本发明无需增加额外的测试机构，也不必破坏器件结构，步骤非常简单。对于双极型器件的电离辐射损伤效应(包括低剂量率增强效应)与机理研究都有着非常重要的意义，在双极型器件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。

附图说明

图1为NPN型双极晶体管电离辐照缺陷深能级瞬态谱DLTS测试曲线结果。

图2为PNP型双极晶体管电离辐照缺陷深能级瞬态谱DLTS测试曲线结果。

图3为改变反偏电压，PNP型双极晶体管深能级瞬态谱DLTS测得的界面态信息。

图4为改变填充电压，PNP型双极晶体管的深能级瞬态谱DLTS测试曲线结果。

图5为改变测试周期，NPN型双极晶体管的深能级瞬态谱DLTS测试曲线结果。

图6为改变脉冲宽度，NPN型双极晶体管的深能级瞬态谱DLTS测试曲线结果。

图7为改变反偏电压，NPN型双极晶体管的深能级瞬态谱DLTS测试曲线结果。

图8为本发明具体实施方式所述的双极型器件电离和位移辐射损伤缺陷辨别方法的原理示意图。

具体实施方式

结合图8说明本实施方式，本实施方式所述的双极型器件电离和位移辐射损伤缺陷辨别方法，在不破坏双极器件固有结构的情况下，针对双极型器件内部电离辐射损伤缺陷，包括氧化物电荷与界面态，以及位移缺陷进行定量化研究。深能级缺陷在深能级瞬态谱仪DLTS的温度扫描测试曲线中表现为一个正值或负值的信号峰，信号的正负值可用于分析陷阱的类型是少子陷阱还是多子陷阱。信号峰的强度与陷阱浓度成正比，信号峰的位置由陷阱中心本身对载流子的发射速率决定。

图1为Co-60源辐照、辐照剂量40krad电离辐照后，NPN型双极晶体管电离辐照缺陷的深能级瞬态谱仪DLTS测试曲线结果。如图1所示，辐照后NPN型双极晶体管的温度扫描测试曲线呈现出两个正向的信号峰，其中左侧的信号峰为氧化物俘获正电荷所产生的，右侧的信号峰为界面态所产生的。同样的，图2为Co-60源辐照、辐照剂量40krad电离辐照后，PNP型双极晶体管电离辐照缺陷深能级瞬态谱仪DLTS测试曲线结果。如图2所示，辐照后PNP型双极晶体管的温度扫描测试曲线呈现出一正一负两个的信号峰，其中左侧的信号峰为氧化物俘获正电荷所产生的，右侧的信号峰为界面态所产生的。

本实施方式的辨别方法在测试过程中，通过单一改变反偏电压、填充电压、测试周期或脉冲宽度，获取温度扫描测试曲线，根据温度扫描测试曲线中的信号峰，确定该双极型器件为位移缺陷或电离缺陷。

优选实施例中，敏感区为发射结和/或集电结。

优选实施例中，当单一改变反偏电压，若获得的温度扫描测试曲线的信号峰的位置不随反偏电压的变化而变化，则双极型器件为位移缺陷；若获得的温度扫描测试曲线的信号峰的位置随反偏电压的变化逐渐增加或减小，则双极型器件为电离缺陷。

优选实施例中，当单一改变填充电压，若获得的温度扫描测试曲线的信号峰的位置不随填充电压的变化而变化，则双极型器件为位移缺陷；若获得的温度扫描测试曲线的信号峰的位置随填充电压的变化逐渐增加或减小，则双极型器件为电离缺陷。

优选实施例中，当单一改变测试周期，若获得的温度扫描测试曲线的信号峰的高度不随测试周期的变化而变化，则双极型器件为位移缺陷；若获得的温度扫描测试曲线的信号峰的高度随测试周期的变化逐渐增加或减小，则双极型器件为电离缺陷。

优选实施例中，当单一改变脉冲宽度，若获得的温度扫描测试曲线的信号峰的高度不随脉冲宽度的变化而变化，则双极型器件为位移缺陷；若获得的温度扫描测试曲线的信号峰的高度随脉冲宽度的变化而变化，则双极型器件为电离缺陷。

本实施方式的双极型器件包括NPN型器件、PNP型器件、数字双极电路、模拟双极电路、数模转换电路和模数转换电路。

本发明提供下面两个具体实施例进行说明。

实施例1，包括如下步骤：

步骤一：对PNP型双极晶体管进行Co-60源辐照试验；

步骤二：将完成辐照试验后的PNP型双极晶体管安装到深能级瞬态谱仪DLTS的低温测试台上，保证PNP型双极晶体管与测试台的紧密连接；

步骤三：将PNP型双极晶体管的发射极与基极或集电极与基极或不同的管脚分别和深能级瞬态谱仪DLTS的高低测试接头相连；

步骤四：设置测试参数：反偏电压V_R分别选择为-10V、-8V、-5V及-3V，填充电压V_P相应为+10V、+8V、+5V及+3V，测试周期T_W为2.05s，脉冲宽度T_P为100ms，温度扫描范围为20～350K；根据测试的温度扫描测试曲线，若测试曲线的信号峰的位置不随反偏电压的变化而变化，则为位移缺陷，若信号峰的位置随反偏电压的变化逐渐增加或减小，则为电离缺陷；

实验结果如图3所示，随反偏电压的增加，信号峰的高度逐渐增加，峰的位置逐渐向右移动，该信号说明该缺陷为电离缺陷而非位移缺陷。

步骤四是单一改变反偏电压进行测试，因为反偏电压控制填充电压，所以随着反偏电压的变化，导致填充电压也做相应变化。

步骤五：设置测试参数：反偏电压V_R选择为-10V，填充电压V_P分别为+10V、+8V、+5V及+3V，测试周期T_W为2.05s，脉冲宽度T_P为100ms。温度扫描范围为20～350K；根据测试的温度扫描测试曲线，若测试曲线的信号峰的位置不随填充电压的而变化，则为位移缺陷，若信号峰的位置随反偏电压的变化逐渐增加或减小，则为电离缺陷；

步骤五是单一改变填充电压进行测试。实验结果如图4所示，随填充电压的增加，信号峰的高度逐渐增加，信号峰的位置逐渐向右移动，该信号同样可以分析出该缺陷为电离缺陷而非位移缺陷。并且，对比图3和图4可知，在相同的电压深度范围内，界面态为均匀分布。

步骤六：设置测试参数：反偏电压V_R选择为-10V，填充电压V_P为+10V，测试周期T_W分别为4.10s、2.05s、0.205s、0.0205s，脉冲宽度T_P为100ms。温度扫描范围为20～350K；根据测试的温度扫描测试曲线，若测试曲线的信号峰的高度不随测试周期变化则为位移缺陷，若信号峰的高度随测试周期的变化逐渐增加或减小，则为电离缺陷；

步骤七：设置测试参数：反偏电压V_R选择为-10V，填充电压V_P为+10V，测试周期T_W分别为2.05s，脉冲宽度T_P为10μs、100μs、1ms、10ms、100ms、1s。温度扫描范围为20～350K；根据测试的温度扫描测试曲线，若测试曲线的信号峰的位置不随脉冲宽度的变化而变化，则为位移缺陷，若信号峰的位置随脉冲宽度的变化逐渐增加或减小，则为电离缺陷；

步骤八：记录测试结果，分别提取电离缺陷及位移缺陷的能级、俘获截面和浓度等特征信息。

实施例2：

为了进一步说明该方法的适用性，还提供了经重离子辐照后会在NPN双极晶体管内同时产生电离和位移缺陷，包括如下步骤：

步骤一：对NPN双极晶体管进行Si离子辐照试验；

步骤二：将完成辐照试验后的NPN双极晶体管安装到深能级瞬态谱仪DLTS的低温测试台上，保证NPN双极晶体管与测试台的紧密连接；

步骤三：将NPN双极晶体管的发射极与基极或集电极与基极或不同的管脚分别和深能级瞬态谱仪DLTS的高低测试接头相连；

步骤四：设置测试参数：反偏电压V_R选择为-5V，填充电压V_P为+5V，测试周期T_W分别为4.10s、2.05s、1.02s、0.51s，脉冲宽度T_P为10ms。温度扫描范围为20～350K；根据测试的温度扫描测试曲线，若测试曲线的信号峰的高度不随测试周期变化则为位移缺陷，若信号峰的高度随测试周期的变化逐渐增加或减小，则为电离缺陷；

如图5所示，随测试周期T_W的减小，电离缺陷和位移缺陷峰均向右移动。但是，位移缺陷峰的峰值不变，而电离缺陷的峰值逐渐升高。

步骤五：设置测试参数：反偏电压V_R选择为-5V，填充电压V_P为+5V，测试周期T_W分别为2.05s，脉冲宽度T_P为100μs、1ms和100ms。温度扫描范围为20～350K；根据测试的温度扫描测试曲线，若测试曲线的信号峰的位置不随脉冲宽度的变化而变化，则为位移缺陷，若信号峰的位置随脉冲宽度的变化逐渐增加或减小，则为电离缺陷；

如图6所示，随脉冲宽度T_P的增加，电离缺陷和位移缺陷峰的位置均不变，但位移缺陷峰的峰值不变，而电离缺陷的峰值逐渐升高。

步骤六：设置测试参数：反偏电压V_R分别选择为-3V、-2V、及-1V，填充电压V_P相应为+3V、+2V及+1V，测试周期T_W为2.05s，脉冲宽度T_P为10ms，温度扫描范围为20～350K；根据测试的温度扫描测试曲线，若测试曲线的信号峰的位置不随反偏电压的变化而变化，则为位移缺陷，若信号峰的位置随反偏电压的变化逐渐增加或减小，则为电离缺陷；

如图7所示，随反偏电压的增加，位移峰的高度逐渐增加但位置不变；电离峰的高度逐渐增加，位置逐渐向右移动。

步骤七：记录测试结果，分别提取电离缺陷及位移缺陷的能级、俘获截面和浓度等特征信息。

实施例1和实施例2，说明通过改变反偏电压、填充电压、测试周期及脉冲宽度，可以很好地辨别电离缺陷和位移缺陷。