一種用于橫向npn晶體管電離輻射損傷的定量測試方法
【專利摘要】本發明涉及一種用于橫向NPN晶體管輻射損傷的定量分離測試方法，該方法涉及裝置是由柵控橫向NPN雙極晶體管和HP4142半導體參數分析儀組成。本發明在常規雙極NPN晶體管的CE結鈍化層表面附加柵電極，所加柵電極既不影響器件的雙極晶體管特性，又使的器件具有MOS管的特性，測試過程中通過在器件的表面附加一定的電場，使得器件基區表面能級發生彎曲，從而獲得表面柵極電壓隨基極電流的變化趨勢。本發明使用附加柵電極特殊結構的柵控橫向NPN雙極晶體管，能夠對橫向NPN雙極晶體管的電離輻射損傷進行測試和表征，能夠定量揭示和分離雙極橫向NPN晶體管在遭受到電離輻射后的缺陷態數目。
【專利說明】—種用于橫向NPN晶體管電離輻射損傷的定量測試方法【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用于橫向NPN晶體管電離輻射損傷的定量測試方法，尤其是用于橫向NPN雙極晶體管的電離總劑量輻射損傷感生陷阱的定量測試方法。
【背景技術】
[0002]雙極晶體管由于具有良好的線性特性和電流驅動能力，以及高頻、低噪聲等特殊優點，被廣泛應用于航天電子領域。然而，宇宙空間內存在著大量的高能粒子和射線，這就意味著這些雙極晶體管將工作在非常復雜、惡劣的輻射環境中，這些空間輻射環境主要來自宇宙射線、地球輻射帶、太陽耀斑、太陽電磁輻射和極光輻射等各種高能粒子；其能量從幾千電子伏到幾千兆電子伏，甚至更高。而繞地運行的地球衛星受到的輻射主要來自范?艾倫福射帶，也就是地球磁場俘獲宇宙空間的帶電粒子，形成天然的地球福射帶。當雙極晶體管以及由雙極晶體管構成的雙極電路工作在上述空間輻射環境中時，不可避免的要遭受空間輻射環境中的高能粒子和射線的影響而使電路工作性能退化，甚至功能失效。因此對雙極器件和電路在這種極端惡劣的輻射環境中的可靠性的研究變得非常重要。此外，近年來的研究發現，在空間輻射環境(10_4~10_2rad(Si)/s)中的雙極器件存在低劑量率輻射損傷增強效應(Enhanced Low Dose Rate Sensitivity,簡稱ELDRS),這就意味著采用美軍標規定的實驗室高劑量率的評估方法(50~300rad(Si)/s)來評估雙極器件的抗輻射水平，將與電子元器件在空間低劑量率環境下的實際抗輻射能力嚴重不符，從而給衛星、空間站等電子系統的可靠性帶來極大的隱患。然而，用空間低劑量率來評估電子器件的實際抗輻射能力，即不經濟又耗時耗力。因此，找到一種能在實驗室應用的，且高效可靠的雙極器件ELDRS的加速評估方法具有重要意義。然而，解決上述問題的關鍵所在便是對雙極晶體管輻射損傷機理的定量揭示，它是建立有效的實驗室加速評估方法的理論依據，也是解決雙極器件和電路抗ELDRS效應加固技術難題的基礎。
[0003]近年來，國際上投入了大量人力、物力進行了有關雙極器件和電路的低劑量率輻射損傷增強效應的損傷機理、評估方法及加固技術的研究。然而，由于雙極晶體管輻射效應具有很強的工藝相關性，其復雜的輻射效應使得雙極器件的損傷機理研究一直沒能形成統一的定論，且特殊的器件結構使得雙極器件輻射感生電荷的定量分離成為科學研究的難題，受輻照分離方法限制，獲得的低劑量率輻射損傷失效機理模型，只能定性地描述器件宏觀參數的變化，對氧化物陷阱電荷和界面陷阱電荷引起器件參數退化和功能失效的潛在原因并不明朗，從而制約了雙極器件和電路的實驗室加速評估試驗方法的建立和抗輻射加固技術的發展。
[0004] 國際上對于雙極晶體輻射感生缺陷的定量分離做過一些探索性的研究。相關可見的報道出現在 IEEE nuclear science 的論文 “Radiation-1nduced base currentbroadening mechanisms in gated bipolar devices” 中，其設計了特殊結構的柵控橫向PNP雙級晶體管，研究了橫向PNP晶體管的輻射損傷，并分離了其輻射感生缺陷。國內在《物理學報》上亦出現過關于柵控橫向PNP雙極晶體管輻射損傷定量分離的相關報道，然而關于橫向NPN晶體管的輻射感生缺陷定量測試技術卻未見國內外有報道。
【發明內容】
[0005]本發明目的在于，提供一種用于橫向NPN晶體管電離輻射損傷的定量測試方法，該方法涉及裝置是由柵控橫向NPN雙極晶體管和HP4142半導體參數分析儀組成，利用附加柵電極特殊半導體工藝，在常規雙極NPN晶體管的CE結鈍化層表面附加柵電極，所加柵電極既不影響器件的雙極常規特性，又使的器件具有MOS管特性。測試過程中通過在器件的表面附加一定的電場，使得器件基區表面能級發生彎曲，從而獲得表面柵極電壓隨基極電流的變化趨勢。本發明所述方法中使用的附加柵電極特殊結構的雙極柵控橫向NPN晶體管，能夠對雙極橫向NPN晶體管的電離輻射損傷進行測試，能夠定量揭示和分離雙極橫向NPN晶體管在遭受到電離輻射后感生的氧化物電荷和界面態數目。
[0006]本發明所述的一種用于橫向NPN晶體管電離輻射損傷的定量測試方法，該方法中涉及裝置是由柵控橫向NPN雙極晶體管和HP4142半導體參數分析儀組成，柵控橫向NPN雙極晶體管是在常規晶體管的CE結鈍化層表面附加柵電極，然后定量分離雙極橫向NPN晶體管中電離輻射感生的陷阱電荷，具體操作按下列步驟進行:
[0007]a、利用HP4142半導體參數分析儀測試柵控橫向NPN雙極晶體管的常規特性，包括基極、集電極電流和增益曲線，確定器件性能正常； [0008]b、將步驟a中采集的正常結果，進行柵掃描法測試:集電極和發射極加固定電壓0.6V，柵極加步進掃描電壓0-40V，步長為100mV，測試基極電流Ib，獲得基極電流隨柵壓的變化趨勢Vg-1b曲線；
[0009]C、待HP4142半 導體參數分析儀采集到步驟b曲線后，即確定總劑量輻照前器件的缺陷態數目；
[0010]d、將步驟b測試的柵控橫向NPN雙極晶體管進行Y射線輻照，再按步驟a-步驟c再進行測試，再將兩次測試結果進行比對；
[0011]e、再利用柵掃描法對柵控橫向NPN雙極晶體管在遭受電離輻照后所產生的陷阱數目進行分離，從而可以完成對橫向NPN雙極晶體管輻射損傷的定量測試。
[0012]本發明所述的一種用于橫向NPN晶體管電離輻射損傷的定量測試方法，該方法中柵掃描法分離是將柵控橫向NPN雙極晶體管在電離輻射環境中產生的氧化物電荷和界面陷阱進行分離，采用公式(I)、(2)，在柵掃描曲線上確定峰值電流的相應位置，然后通過(I)式來計算界面態ANit的分布:
【權利要求】
1.一種用于橫向NPN晶體管電離輻射損傷的定量測試方法，其特征在于該方法中涉及裝置是由柵控橫向NPN雙極晶體管和HP4142半導體參數分析儀組成，柵控橫向NPN雙極晶體管是在常規晶體管的CE結鈍化層表面附加柵電極，然后定量分離雙極橫向NPN晶體管中電離輻射感生的陷阱電荷，具體操作按下列步驟進行: a、利用HP4142半導體參數分析儀測試柵控橫向NPN雙極晶體管的常規特性，包括基極、集電極電流和增益曲線，確定器件性能正常； b、將步驟a中采集的正常結果，進行柵掃描法測試:集電極和發射極加固定電壓0.6V,柵極加步進掃描電壓0-40V，步長為lOOmV，測試基極電流Ib，獲得基極電流隨柵壓的變化趨勢Vg-1b曲線； C、待HP4142半導體參數分析儀采集到步驟b曲線后，即確定總劑量輻照前器件的缺陷態數目； d、將步驟b測試的柵控橫向NPN雙極晶體管進行Y射線輻照，再按步驟a-步驟c再進行測試，再將兩次測試結果進行比對； e、再利用柵掃描法對柵控橫向NPN雙極晶體管在遭受電離輻照后所產生的陷阱數目進行分離，從而可以完成對橫向NPN雙極晶體管輻射損傷的定量測試。
【文檔編號】G01R31/26GK103926519SQ201410172919
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年4月26日 優先權日:2014年4月26日
【發明者】陸嫵, 郭 旗, 馬武英, 王信, 孫靜, 文林, 崔江維 申請人:中國科學院新疆理化技術研究所