一種基于高溫氫氣浸泡技術(shù)的雙極型器件低劑量率增強(qiáng)效應(yīng)加速試驗(yàn)方法
【專利摘要】一種基于高溫氫氣浸泡技術(shù)的雙極型器件低劑量率增強(qiáng)效應(yīng)加速試驗(yàn)方法，涉及電子【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有的地面實(shí)驗(yàn)采用實(shí)際空間環(huán)境的低劑量率評估電子元器件進(jìn)行抗輻射能力，導(dǎo)致輻照時間長的問題。本發(fā)明所述的采用TCAD軟件模擬氫氣氣氛下的雙極型器件電性能及電離輻射缺陷的變化規(guī)律，根據(jù)氫氣氣氛中雙極型器件內(nèi)的氧化物電荷與界面態(tài)密度，獲得氫氣浸泡的時間與氫氣濃度，通過氫氣浸泡、加熱，加速雙極型器件內(nèi)部的電離輻射缺陷產(chǎn)生，從而起到加速低劑量率增強(qiáng)效應(yīng)評價的作用，達(dá)到用高溫氫氣浸泡條件下高劑量率輻照雙極型器件與低劑量率條件下輻照雙極型器件的輻照時間相比所用的時間短的目的。它可用于航天電子系統(tǒng)中。
【專利說明】一種基于高溫氫氣浸泡技術(shù)的雙極型器件低劑量率增強(qiáng)效應(yīng)加速試驗(yàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于高溫氫氣浸泡技術(shù)的雙極型器件低劑量率增強(qiáng)效應(yīng)加速試驗(yàn)方法。屬于電子【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]在電離輻射環(huán)境中，雙極型器件及電路在低劑量率輻照下受到的輻射損傷，要比在高劑量率條件下大得多，這就是所謂的低劑量率輻射損傷增強(qiáng)效應(yīng)(ELDRS)。電子元器件在空間環(huán)境服役期間普遍存在著ELDRS效應(yīng)，這給電子元器件的抗輻射能力地面輻照模擬實(shí)驗(yàn)測試評估方法帶來了巨大挑戰(zhàn)。由于航天器在軌服役期間所受到的典型輻照劑量率為10_4?10_2rad(Si)/s，而通常的地面輻照實(shí)驗(yàn)所用的劑量率為50?300rad (Si)/s。由于ELDRS效應(yīng)的存在，使得地面實(shí)驗(yàn)室測試方法得到的器件抗輻射水平與在空間環(huán)境下使用的雙極器件的實(shí)際抗輻射能力嚴(yán)重不符合，從而給航天電子系統(tǒng)的可靠性帶來極大的隱患。自上世紀(jì)90年代起，雙極器件(晶體管及電路)低劑量率增強(qiáng)效應(yīng)(ELDRS—EnhancedLow Dose Rate Sensitivity)及機(jī)理就一直是電子器件空間福照效應(yīng)研究的熱點(diǎn)問題。由于航天器在軌環(huán)境的輻照劑量率很低，而地面模擬實(shí)驗(yàn)不可能完全模擬在軌的劑量率條件，需要進(jìn)行相應(yīng)的加速實(shí)驗(yàn)。然而，目前尚沒有ELDRS效應(yīng)加速實(shí)驗(yàn)的普適方法。如果地面實(shí)驗(yàn)采用實(shí)際空間環(huán)境的低劑量率評估電子元器件進(jìn)行抗輻射能力既不經(jīng)濟(jì)又耗時，需要對雙極器件的ELDRS效應(yīng)進(jìn)行加速試驗(yàn)。
[0003]通過研究發(fā)現(xiàn)氫氣在電子器件內(nèi)部會對電子器件的低劑量率增強(qiáng)效應(yīng)起到關(guān)鍵性的影響作用，進(jìn)而影響器件的抗輻照能力。氫的存在可使器件內(nèi)部電離損傷缺陷的狀態(tài)發(fā)生改變，從而加深電子元器件的ELDRS效應(yīng)。因此，本發(fā)明通過氫氣浸泡的方法來加速雙極晶體管內(nèi)部劑量率增強(qiáng)效應(yīng)。這不僅能夠大幅縮減實(shí)驗(yàn)費(fèi)用，也可為優(yōu)化雙極晶體管和電路抗輻照性能提供必要依據(jù)，對整個集成電路的低劑量率增強(qiáng)效應(yīng)測試和研究具有重大的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有的地面實(shí)驗(yàn)采用實(shí)際空間環(huán)境的低劑量率評估電子元器件進(jìn)行抗輻射能力，導(dǎo)致輻照時間長的問題?，F(xiàn)提供一種基于高溫氫氣浸泡技術(shù)的雙極型器件低劑量率增強(qiáng)效應(yīng)加速試驗(yàn)方法。
[0005]一種基于高溫氫氣浸泡技術(shù)的雙極型器件低劑量率增強(qiáng)效應(yīng)加速試驗(yàn)方法，它包括以下步驟:
[0006]步驟一、采用TCAD軟件模擬氫氣氣氛下的雙極型器件電性能及電離輻射缺陷的變化規(guī)律，根據(jù)氫氣氣氛中雙極型器件內(nèi)的氧化物電荷與界面態(tài)密度，獲得氫氣浸泡的時間為10分鐘?5小時，氫氣濃度范圍為0.01%-200% ；
[0007]步驟二、將步驟一中的雙極型器件放置在玻璃管中，利用機(jī)械泵抽真空，直到玻璃管內(nèi)的真空度為等于或小于0.0OOlPa為止,然后向玻璃管中注入氫氣,直到玻璃管內(nèi)的氫氣濃度為步驟一獲得的氫氣濃度，密封玻璃管，直到玻璃管內(nèi)的氫氣浸泡時間達(dá)到步驟一獲得的氫氣浸泡時間為止；
[0008]步驟三、將密封的玻璃管放入爐溫為100?200°C的退火爐中進(jìn)行加熱，保溫0.5小時?5小時；
[0009]步驟四、采用Co-60輻照源在高劑量率條件下輻照步驟三中密封的玻璃管，達(dá)到設(shè)定的雙極型器件輻照吸收總劑量，記錄該雙極型器件的輻照時間。
[0010]本發(fā)明采用TCAD軟件模擬氫氣氣氛下的雙極型器件電性能及電離輻射缺陷的變化規(guī)律，根據(jù)氫氣氣氛中雙極型器件內(nèi)的氧化物電荷與界面態(tài)密度，獲得氫氣浸泡的時間與氫氣濃度，通過氫氣浸泡、加熱，加速雙極型器件內(nèi)部的電離輻射缺陷產(chǎn)生，從而起到加速低劑量率增強(qiáng)效應(yīng)的作用，達(dá)到用氫氣浸泡條件下高劑量率輻照雙極型器件與低劑量率條件下輻照雙極型器件的輻照時間相比所用的時間短的目的。它可用于航天電子系統(tǒng)中。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1為雙極型器件的電離輻射缺陷分布示意圖，
[0012]圖2為在有無高溫氫氣浸泡環(huán)境下，雙極型器件低劑量率輻照條件下過?；鶚O電流的變化量對比圖，其中，I表示無高溫氫氣浸泡環(huán)境下，雙極型器件低劑量率輻照條件下過剩基極電流的變化圖，2表示有高溫氫氣浸泡環(huán)境下，雙極型器件低劑量率輻照條件下過?；鶚O電流的變化圖，
[0013]圖3為在不同濃度氫氣浸泡條件下，電流增益變化量隨輻照注量的變化曲線對比圖，其中，曲線3表示100%濃度氫氣浸泡條件下，劑量率為lrad/s輻照條件下，電流增益變化量隨輻照劑量的變化曲線圖，曲線4表示低劑量率0.0lrad/s輻照條件下，電流增益變化量隨輻照劑量的變化曲線圖，曲線5表示50%濃度氫氣浸泡條件下，劑量率為lrad/s輻照條件下，電流增益變化量隨輻照劑量的變化曲線圖，曲線6表示10%濃度氫氣浸泡條件下，劑量率為lrad/s輻照條件下，電流增益變化量隨輻照劑量的變化曲線圖，曲線7表示0%濃度氫氣浸泡條件下，劑量率為lrad/s輻照條件下，電流增益變化量隨輻照劑量的變化曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014]【具體實(shí)施方式】一:本實(shí)施方式所述的一種基于高溫氫氣浸泡技術(shù)的雙極型器件低劑量率增強(qiáng)效應(yīng)加速試驗(yàn)方法，它包括以下步驟:
[0015]步驟一、采用TCAD軟件模擬氫氣氣氛下的雙極型器件電性能及電離輻射缺陷的變化規(guī)律，根據(jù)氫氣氣氛中雙極型器件內(nèi)的氧化物電荷與界面態(tài)密度，獲得氫氣浸泡的時間為10分鐘?5小時，氫氣濃度范圍為0.01%-200% ；
[0016]步驟二、將步驟一中的雙極型器件放置在玻璃管中，利用機(jī)械泵抽真空，直到玻璃管內(nèi)的真空度為等于或小于0.0OOlPa為止,然后向玻璃管中注入氫氣,直到玻璃管內(nèi)的氫氣濃度為步驟一獲得的氫氣濃度，密封玻璃管，直到玻璃管內(nèi)的氫氣浸泡時間達(dá)到步驟一獲得的氫氣浸泡時間為止；
[0017]步驟三、將密封的玻璃管放入爐溫為100?200°C的退火爐中進(jìn)行加熱，保溫0.5小時?5小時；
[0018]步驟四、采用Co-60輻照源在高劑量率條件下輻照步驟三中密封的玻璃管，達(dá)到設(shè)定的雙極型器件輻照吸收總劑量，記錄該雙極型器件的輻照時間。
[0019]本實(shí)施方式中所應(yīng)用的TCAD軟件全稱為Technology Computer Aided Design,半導(dǎo)體工藝模擬以及器件模擬工具，該軟件的發(fā)行商為美國Silvaco公司。其作用是通過設(shè)定器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)、加工工藝、外界條件等參數(shù)，來模擬器件的電性能及內(nèi)部狀態(tài)。
[0020]在設(shè)定的雙極型器件輻照吸收總劑量相同條件下，本實(shí)施方式與低劑量率條件下輻照雙極型器件的輻照時間相比較，輻照時間更短。
[0021]本實(shí)施方式中，在不影響雙極器件的低劑量率物理作用機(jī)制的基礎(chǔ)上，通過氫氣浸泡，加速器件內(nèi)部的電離輻射缺陷產(chǎn)生，從而起到加速低劑量率增強(qiáng)效應(yīng)的作用，達(dá)到用氫氣浸泡條件下高劑量率輻照實(shí)驗(yàn)來模擬低劑量率增強(qiáng)效應(yīng)的目的。雙極型器件的電離輻射缺陷分布示意圖，如圖1所示。
[0022]低劑量率增強(qiáng)效應(yīng)所產(chǎn)生的輻射損傷是以正氧化物電荷與界面態(tài)為主，這兩類缺陷會對器件的過剩基極電流和電流增益產(chǎn)生較大的影響，導(dǎo)致器件發(fā)生性能退化。高劑量率輻照會在器件的氧化物層中形成電荷區(qū)阻礙電離輻射缺陷的產(chǎn)生與傳輸，通過氫氣浸泡技術(shù)，可以避免器件的氧化層內(nèi)部產(chǎn)生電荷區(qū)，大大提升電離輻射缺陷的密度以及氧化物電荷及界面態(tài)的產(chǎn)生速度，進(jìn)而縮短低劑量率增強(qiáng)試驗(yàn)的測試時間，達(dá)到用氫氣浸泡條件下高劑量率輻照實(shí)驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)低劑量率增強(qiáng)效應(yīng)加速的目的。
[0023]本實(shí)施方式中，如圖2所示，與低劑量率輻照條件下的雙極型器件相比，在相同的輻照吸收劑量下，輻照劑量率為0.lrad/s，溫度為150°C，2小時保溫，100%氫氣浸泡環(huán)境中高劑量率輻照的雙極型器件的過?；鶚O電流相對較高，約高出10%。另外，如圖3所示，氫氣浸泡濃度越高，相同吸收劑量下輻射損傷越大，和低劑量率輻照條件最為接近。
[0024]本實(shí)施方式中的步驟一中的氫氣濃度范圍最佳為1%_100%。
[0025]【具體實(shí)施方式】二:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一所述的一種基于高溫氫氣浸泡技術(shù)的雙極型器件低劑量率增強(qiáng)效應(yīng)加速試驗(yàn)方法的不同點(diǎn)在于，在步驟三中，加熱溫度為150?200°C，保溫時間為10分鐘?120分鐘。
[0026]本實(shí)施方式中，加熱溫度高，有利于氫氣擴(kuò)散，因此可以縮短對密封的玻璃管的保溫時間，縮短試驗(yàn)時間。
[0027]【具體實(shí)施方式】三:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一所述的一種基于高溫氫氣浸泡技術(shù)的雙極型器件低劑量率增強(qiáng)效應(yīng)加速試驗(yàn)方法的不同點(diǎn)在于，步驟一中，獲得氫氣浸泡的時間與氫氣濃度的具體方法為:
[0028]采用TCAD模擬仿真不同的氫氣浸泡的時間與氫氣濃度組合下，氫氣氣氛中雙極型器件內(nèi)的氧化物電荷密度和界面態(tài)密度，根據(jù)仿真結(jié)果選擇氫氣氣氛中雙極型器件內(nèi)的氧化物電荷密度為ΙΕΙΟ/cm3到lE15/cm3范圍內(nèi)、并且氫氣氣氛中雙極型器件內(nèi)的界面態(tài)密度為ΙΕΙΟ/cm3到lE15/cm3范圍內(nèi)的多組數(shù)據(jù)中的任意一組氫氣浸泡的時間與氫氣濃度作為選擇結(jié)果。
[0029]【具體實(shí)施方式】四:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一所述的一種基于高溫氫氣浸泡技術(shù)的雙極型器件低劑量率增強(qiáng)效應(yīng)加速試驗(yàn)方法的不同點(diǎn)在于，步驟一中，獲得氫氣浸泡的時間與氫氣濃度的具體方法為:[0030]采用TCAD模擬仿真不同的氫氣浸泡的時間與氫氣濃度組合下，氫氣氣氛中雙極型器件內(nèi)的氧化物電荷密度和界面態(tài)密度，根據(jù)仿真結(jié)果選擇氫氣氣氛中雙極型器件內(nèi)的氧化物電荷密度最接近2E13/cm3、并且氫氣氣氛中雙極型器件內(nèi)的界面態(tài)密度最接近IE14/cm3的一組氫氣浸泡的時間與氫氣濃度作為選擇結(jié)果。
[0031]【具體實(shí)施方式】五:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一所述的一種基于高溫氫氣浸泡技術(shù)的雙極型器件低劑量率增強(qiáng)效應(yīng)加速試驗(yàn)方法的不同點(diǎn)在于，雙極型器件包括NPN器件、PNP器件、數(shù)字雙極電路、模擬雙極電路及數(shù)模/模數(shù)電路。
【權(quán)利要求】
1.一種基于高溫氫氣浸泡技術(shù)的雙極型器件低劑量率增強(qiáng)效應(yīng)加速試驗(yàn)方法，其特征在于，它包括以下步驟: 步驟一、采用TCAD軟件模擬氫氣氣氛下的雙極型器件電性能及電離輻射缺陷的變化規(guī)律，根據(jù)氫氣氣氛中雙極型器件內(nèi)的氧化物電荷與界面態(tài)密度，獲得氫氣浸泡的時間為10分鐘?5小時，氫氣濃度范圍為0.01%-200% ； 步驟二、將步驟一中的雙極型器件放置在玻璃管中，利用機(jī)械泵抽真空，直到玻璃管內(nèi)的真空度為等于或小于0.0OOlPa為止，然后向玻璃管中注入氫氣，直到玻璃管內(nèi)的氫氣濃度為步驟一獲得的氫氣濃度，密封玻璃管，直到玻璃管內(nèi)的氫氣浸泡時間達(dá)到步驟一獲得的氫氣浸泡時間為止； 步驟三、將密封的玻璃管放入爐溫為100?200°C的退火爐中進(jìn)行加熱，保溫0.5小時?5小時； 步驟四、采用Co-60輻照源在高劑量率條件下輻照步驟三中密封的玻璃管，達(dá)到設(shè)定的雙極型器件輻照吸收總劑量，記錄該雙極型器件的輻照時間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于高溫氫氣浸泡技術(shù)的雙極型器件低劑量率增強(qiáng)效應(yīng)加速試驗(yàn)方法，其特征在于，在步驟三中，加熱溫度為150?200°C，保溫時間為10分鐘?120分鐘。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于高溫氫氣浸泡技術(shù)的雙極型器件低劑量率增強(qiáng)效應(yīng)加速試驗(yàn)方法，其特征在于，步驟一中，獲得氫氣浸泡的時間與氫氣濃度的具體方法為: 采用TCAD模擬仿真不同的氫氣浸泡的時間與氫氣濃度組合下，氫氣氣氛中雙極型器件內(nèi)的氧化物電荷密度和界面態(tài)密度，根據(jù)仿真結(jié)果選擇氫氣氣氛中雙極型器件內(nèi)的氧化物電荷密度為ΙΕΙΟ/cm3到lE15/cm3范圍內(nèi)、并且氫氣氣氛中雙極型器件內(nèi)的界面態(tài)密度為ΙΕΙΟ/cm3到lE15/cm3范圍內(nèi)的多組數(shù)據(jù)中的任意一組氫氣浸泡的時間與氫氣濃度作為選擇結(jié)果。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于高溫氫氣浸泡技術(shù)的雙極型器件低劑量率增強(qiáng)效應(yīng)加速試驗(yàn)方法，其特征在于，步驟一中，獲得氫氣浸泡的時間與氫氣濃度的具體方法為: 采用TCAD模擬仿真不同的氫氣浸泡的時間與氫氣濃度組合下，氫氣氣氛中雙極型器件內(nèi)的氧化物電荷密度和界面態(tài)密度，根據(jù)仿真結(jié)果選擇氫氣氣氛中雙極型器件內(nèi)的氧化物電荷密度最接近2E13/cm3、并且氫氣氣氛中雙極型器件內(nèi)的界面態(tài)密度最接近lE14/cm3的一組氫氣浸泡的時間與氫氣濃度作為選擇結(jié)果。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于高溫氫氣浸泡技術(shù)的雙極型器件低劑量率增強(qiáng)效應(yīng)加速試驗(yàn)方法，其特征在于，雙極型器件包括NPN器件、PNP器件、數(shù)字雙極電路、模擬雙極電路及數(shù)模/模數(shù)電路。
【文檔編號】G01R31/00GK103869199SQ201410136726
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年4月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月4日
【發(fā)明者】李鵬偉, 李興冀, 趙玉玲, 劉艷秋, 劉廣橋, 劉超銘, 周捧娟, 孫毅, 楊劍群, 朱偉娜, 何世禹 申請人:中國空間技術(shù)研究院, 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 石家莊天林石無二電子有限公司