[发明专利]一种采用频率噪声分析位移损伤缺陷能级的方法

说明书

本发明公开了一种采用频率噪声分析位移损伤缺陷能级的方法，当高能核辐射与半导体材料相互作用时,会将一些原子从其原始的位置转移到半导体晶格中。这种辐射诱导的在晶体中形成位移损伤的现象可能会导致设备性能的变化。而器件中的1/f噪声与缺陷的分布及能级变化密切相关，采用合适的噪声模型，能够提取电活性陷阱的浓度、空间位置和能量分布等关于器件可靠性相关的大量信息，从而获得位移损伤缺陷能级的相关数据。

技术领域

本发明涉及空间辐射效应及加固技术领域，特别涉及一种采用频率噪声分析位移损伤缺陷能级的方法。

背景技术

在最近几年，基于GaN的HEMT器件已经被证实与基于其他材料制作的的HEMT器件相比，具有高频和高功率等优异性能。虽然GaN/AlGaN HEMT器件具有较宽的禁带宽度和高饱和电子迁移率以及在异质结界面上存在着2DEG，但是该器件在空间环境中的可靠性问题仍受到广泛关注。我们可使用1/f噪声测量来帮助理解影响器件可靠性的缺陷。

在空间环境中引起永久性损伤的能量粒子主要有质子、电子和重离子等。当能量粒子与半导体器件相互作用时，会有几个不同的物理过程。第一个过程是电离，带电粒子与目标材料相互作用并产生电子空穴对；第二个过程是位移损伤，入射的粒子传递足够的能量给目标原子，使其从原来的位置移动到另一个位置，并产生一个空位。相比于电离损伤而言，位移损伤是基于GaN HEMT器件中更重要的辐射效应。

广义上讲,凡是功率谱密度与频率成反比的随机涨落现象均可称为1/f噪声。当在一个半导体器件上作用一个恒定偏压时，电流会自发的出现波动。对晶体管而言，主要有两种机制：1)热噪声或白噪声，在任意温度下由载流子的随机热运动引起，且其电压噪声功率密度谱独立于其频率；2)闪烁噪声即1/f噪声，它显示了电压噪声功率密度谱的频率依赖：S_vd∝1/f^α(α范围为0.8～1.4)，依据公式：

对于低频噪声的产生有很多种机制。通常来讲，噪声产生是由于AlGaN/GaN沟道附近缺陷内的电子陷阱捕获和电子脱阱。有两个非常受欢迎的模型来解释噪声谱：Hooge迁移率波动模型和McWhorter载流子数量波动模型。Hooge模型将1/f噪声的波动作为单个沟道内载流子迁移率的波动，通过以下关系式来表述：

α_H是Hooge常量。

McWhorter载流子数量波动模型理论指出，由于表面态的电荷捕获而造成了载流子数量的波动，从而导致1/f噪声的产生。这个模型最简单的版本是假设陷阱中心不均匀的分布在沟道附近，并且时间常量随着沟道距离的增加而增加。则根据这个模型，如果一个MOS器件在恒漏电流和栅偏压的线性区域内运行，则可以把1/f噪声描述为：

S_vd是超额漏电压噪声功率密度谱，V_th、V_g和V_d分别是阈值电压、栅电压和漏电压，f是频率，q是电荷，C_ox是栅氧的单位电容，L、W分别是晶体管够到的长和宽，k_B是玻尔兹曼常数，T是绝对温度，D_t(E_f)是在费米能级E_f下，单位面积单位能量的陷阱数，τ₁、τ₂分别是最小和最大隧穿时间。

Dutta和Horn已经表明，一个近似的1/f噪声谱是由于激活能的随机分布。他们证明1/f噪声的温度依赖通常是由于热激活能的随机分布过程，它有一个激活能量的分布，并随着温度而变化。