[发明专利]用于纵向NPN晶体管电离辐射损伤的定量测试方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于纵向NPN双极晶体管的电离总剂量辐射损伤感生陷阱的定量测试方法。

背景技术

双极晶体管由于具有良好的线性特性和电流驱动能力，以及高频、低噪声等特殊优点，被广泛应用于航天电子领域。然而，宇宙空间内存在着大量的高能粒子和射线，这就意味着这些双极晶体管将工作在非常复杂、恶劣的辐射环境中，这些空间辐射环境主要来自宇宙射线、地球辐射带、太阳耀斑、太阳电磁辐射和极光辐射等各种高能粒子；其能量从几千电子伏到几千兆电子伏，甚至更高。而绕地运行的地球卫星受到的辐射主要来自范·艾伦辐射带，也就是地球磁场俘获宇宙空间的带电粒子，形成天然的地球辐射带。当双极晶体管以及由双极晶体管构成的双极电路工作在上述空间辐射环境中时，不可避免的要遭受空间辐射环境中的高能粒子和射线的影响而使电路工作性能退化，甚至功能失效。因此对双极器件和电路在这种极端恶劣的辐射环境中的可靠性的研究变得非常重要。此外，近年来的研究发现，在空间辐射环境(10^-4～10^-2rad(Si)/s)中的双极器件存在低剂量率辐射损伤增强效应(Enhanced Low Dose Rate Sensitivity，简称ELDRS)，这就意味着采用美军标规定的实验室高剂量率的评估方法(50～300rad(Si)/s)来评估双极器件的抗辐射水平，将与电子元器件在空间低剂量率环境下的实际抗辐射能力严重不符，从而给卫星、空间站等电子系统的可靠性带来极大的隐患。然而，用空间低剂量率来评估电子器件的实际抗辐射能力，即不经济又耗时耗力。因此，找到一种能在实验室应用的，且高效可靠的双极器件ELDRS的加速评估方法具有重要意义。然而，解决上述问题的关键所在便是对双极晶体管辐射损伤机理的定量揭示，它是建立有效的实验室加速评估方法的理论依据，也是解决双极器件和电路抗ELDRS效应加固技术难题的基础。

近年来，国际上投入了大量人力、物力进行了有关双极器件和电路的低剂量率辐射损伤增强效应的损伤机理、评估方法及加固技术的研究。然而，由于双极晶体管辐射效应具有很强的工艺相关性，其复杂的辐射效应使得双极器件的损伤机理研究一直没能形成统一的定论，且特殊的器件结构使得双极器件辐射感生电荷的定量分离成为科学研究的难题，受辐照分离方法限制，获得的低剂量率辐射损伤失效机理模型，只能定性地描述器件宏观参数的变化，对氧化物陷阱电荷和界面陷阱电荷引起器件参数退化和功能失效的潜在原因并不明朗，从而制约了双极器件和电路的实验室加速评估试验方法的建立和抗辐射加固技术的发展。

国际上对于双极晶体辐射感生缺陷的定量分离做过一些探索性的研究。相关可见的报道出现在IEEE nuclear science的论文“Radiation-induced base current broadening mechanisms in gated bipolar devices”中，其设计了特殊结构的栅控横向PNP双级晶体管，研究了横向PNP晶体管的辐射损伤，并分离了其辐射感生缺陷。国内在《物理学报》上亦出现过关于栅控横向PNP双极晶体管辐射损伤定量分离的相关报道，然而关于纵向NPN晶体管的辐射感生缺陷定量测试技术却未见国内外有报道。

发明内容

本发明目的在于，提供一种用于纵向NPN晶体管电离辐射损伤的定量测试方法，该方法涉及装置是由栅控纵向NPN双极晶体管和HP4142半导体参数分析仪组成，利用附加栅电极特殊半导体工艺，在常规双极NPN晶体管的CE、EB结钝化层表面附加栅电极，所加栅电极既不影响器件的双极常规特性，又使的器件具有MOS管特性，测试过程中通过在器件的表面附加一定的电场，使得器件基区表面能级发生弯曲，从而获得表面栅极电压随基极电流的变化趋势。本发明所述的方法中使用附加栅电极特殊结构的双极栅控纵向NPN晶体管，能够对纵向NPN晶体管的电离辐射损伤进行测试，能够定量揭示和分离纵向NPN晶体管在遭受到电离辐射后感生的氧化物电荷和界面态数目。

本发明所述的一种用于纵向NPN晶体管电离辐射损伤的定量测试方法，该方法中涉及装置是由栅控纵向NPN双极晶体管和HP4142半导体参数分析仪组成，栅控纵向NPN双极晶体管，是在常规晶体管的CE和EB结钝化层表面附加栅电极，然后定量分离双极纵向NPN晶体管中电离辐射感生的陷阱电荷，具体操作按下列步骤进行：

a、利用HP4142半导体参数分析仪测试栅控纵向NPN双极晶体管的常规特性:包括基极、集电极电流和增益曲线，确定器件性能正常；