基于p-i-n結(jié)構(gòu)的位移損傷劑量探測(cè)方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于p-i-n結(jié)構(gòu)的位移損傷劑量探測(cè)方法，該方法包括篩選p-i-n結(jié)構(gòu)的探頭，探測(cè)器參數(shù)調(diào)整及確認(rèn)，在不同放射源下獲取探測(cè)器響應(yīng)并標(biāo)定；根據(jù)不同放射源對(duì)探頭材料的非電離能損 NIEL ，將探測(cè)器響應(yīng)與不同放射源注量或劑量的關(guān)系統(tǒng)一成探測(cè)器響應(yīng)與位移損傷劑量的關(guān)系；根據(jù)實(shí)際探測(cè)結(jié)果確定損傷增強(qiáng)因子。該方法優(yōu)勢(shì)在于其探測(cè)的物理量是位移損傷劑量，包含任何能夠造成位移損傷效應(yīng)的粒子；與探測(cè)粒子種類、能譜相比，能夠直接反映半導(dǎo)體元器件的位移損傷程度；基于此結(jié)構(gòu)的探測(cè)器便攜、靈活、易用，適用于空間環(huán)境監(jiān)測(cè)、半導(dǎo)體元器件位移損傷效應(yīng)評(píng)估及壽命預(yù)測(cè)。
【專利說明】基于p-i-η結(jié)構(gòu)的位移損傷劑量探測(cè)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及輻射環(huán)境探測(cè)方法，特別是一種基于p-i-n結(jié)構(gòu)的位移損傷劑量探測(cè) 方法，屬于福射效應(yīng)評(píng)估技術(shù)、福射場(chǎng)探測(cè)技術(shù)和微電子技術(shù)。

【背景技術(shù)】
[0002] 空間輻射環(huán)境包括銀河宇宙線、太陽活動(dòng)事件及地球俘獲帶，對(duì)元器件造成空間 輻射效應(yīng)，位移損傷效應(yīng)是其中之一。目前描述空間輻射環(huán)境的模型有美國(guó)國(guó)家航空航天 局（NASA)等公布的銀河宇宙線模型、AP-8、AE-8模型和太陽質(zhì)子模型，給出了高能粒子的 元素豐度及在不同能量下的通量、地球俘獲帶內(nèi)質(zhì)子和電子能量及空間分布，并受周期性 太陽事件的擾動(dòng)情況。
[0003] 由于位移損傷效應(yīng)是空間輻射環(huán)境與元器件半導(dǎo)體材料相互作用的結(jié)果，即空間 輻射環(huán)境中高能質(zhì)子、電子及其他高能粒子與元器材料的晶格發(fā)生彈性散射，以非電離能 的形式在晶格中沉積能量，形成以簇狀缺陷和點(diǎn)缺陷為主要形式的晶格缺陷，并產(chǎn)生相應(yīng) 的缺陷能級(jí)，使元器件受到不可逆的性能、參數(shù)退化。上述空間輻射環(huán)境模型僅描述了粒子 種類、能量及通量，對(duì)研宄位移損傷效應(yīng)的支持尚不充分，原因是空間輻射環(huán)境的多樣性及 器件結(jié)構(gòu)、工藝的復(fù)雜性。根據(jù)第一性原理，從粒子入射半導(dǎo)體材料推導(dǎo)實(shí)際器件的參數(shù)退 化是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，且隨著新器件的不斷涌現(xiàn)，模擬仿真方面尚需大量研宄需要開 展，在實(shí)際評(píng)估器件位移損傷效應(yīng)時(shí)不具有可行性。
[0004] 目前對(duì)位移損傷效應(yīng)的研宄一般方法，是以G. P. Summers提出的非電離能損NIEL 和位移損傷劑量Dd展開的，其思想是根據(jù)不同種類粒子入射不同材料的NIEL及粒子注量 Φ，將可以造成位移損傷的各種輻射環(huán)境因素統(tǒng)一成Del。對(duì)于一款待評(píng)估器件，在地面模擬 實(shí)驗(yàn)中得出器件參數(shù)退化與Dd的關(guān)系，根據(jù)不同種類粒子束輻照結(jié)果的差異，得出損傷增 強(qiáng)因子κ，即粒子各自造成位移損傷的權(quán)重。如果該器件空間應(yīng)用環(huán)境和工作年限已知， 可根據(jù)空間輻射環(huán)境模型預(yù)估粒子種類、能量及通量，根據(jù)各粒子權(quán)重，換算成單一種類粒 子、單一能量下的Dd，于是在評(píng)估該器件位移損傷效應(yīng)時(shí)，可用單一能量的一種粒子束，如 IMeV中子，等效其實(shí)際空間輻射環(huán)境對(duì)位移損傷效應(yīng)的貢獻(xiàn)。該方法能夠準(zhǔn)確快捷地實(shí)現(xiàn) 位移損傷效應(yīng)評(píng)估，以滿足工程需求。
[0005] 但是地面輻照裝置如質(zhì)子、電子、重離子等造成位移損傷的同時(shí)也會(huì)造成電離損 傷。上述方法得以實(shí)現(xiàn)的重要前提是，需要一種對(duì)位移損傷敏感，對(duì)電離損傷不敏感的探測(cè) 器。當(dāng)探測(cè)器在不同粒子束下進(jìn)行輻照，根據(jù)各自響應(yīng)換算不同粒子種類、不同能量下的 等效Dd時(shí)，必須排除電離損傷的影響才能保證其有效性。
[0006] 位移損傷效應(yīng)評(píng)估工作急需一種位移損傷劑量探測(cè)方法，保證評(píng)估試驗(yàn)?zāi)軌蛘_ 地開展，并保證電子元器件在空間環(huán)境中壽命預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明目的在于，提供一種基于p-i-n結(jié)構(gòu)的位移損傷劑量探測(cè)方法，該方法包 括篩選p-i-n結(jié)構(gòu)的探頭，探測(cè)器，探測(cè)器參數(shù)調(diào)整及確認(rèn)，在不同放射源下獲取探測(cè)器響 應(yīng)并標(biāo)定；根據(jù)不同放射源對(duì)探頭材料的非電離能損NIEL，將探測(cè)器響應(yīng)與不同放射源注 量或劑量的關(guān)系統(tǒng)一成探測(cè)器響應(yīng)與位移損傷劑量的關(guān)系；根據(jù)實(shí)際探測(cè)結(jié)果確定損傷增 強(qiáng)因子。該方法優(yōu)勢(shì)在于其探測(cè)的物理量是位移損傷劑量，包含任何能夠造成位移損傷效 應(yīng)的粒子；與探測(cè)粒子種類、能譜相比，能夠直接反映半導(dǎo)體元器件的位移損傷程度；基于 此結(jié)構(gòu)的探測(cè)器便攜、靈活、易用，適用于空間環(huán)境監(jiān)測(cè)、半導(dǎo)體元器件位移損傷效應(yīng)評(píng)估 及壽命預(yù)測(cè)。該方法與粒子種類、能譜等物理學(xué)探測(cè)不同，旨在探測(cè)電子元器件被輻照后， 經(jīng)非電離過程造成的吸收劑量，是針對(duì)工程應(yīng)用的一種探測(cè)方法，為位移損傷效應(yīng)評(píng)估及 研宄工作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。
[0008] 本發(fā)明所述的基于p-i-n結(jié)構(gòu)的位移損傷劑量探測(cè)方法，按下列步驟進(jìn)行：
[0009] a、篩選p-i-n結(jié)構(gòu)的探頭，對(duì)篩選的探頭進(jìn)行摸底試驗(yàn)，將兩組探頭分別置于能 夠產(chǎn)生位移損傷的輻照源和不產(chǎn)生位移損傷的輻照源中，通過移位測(cè)試獲取I-V特性，確 認(rèn)該探頭對(duì)位移損傷敏感和對(duì)電離損傷不敏感；
[0010] b、研制探測(cè)器，探測(cè)器為兩塊PCB板，一塊為探頭模塊，置于輻照源中輻照；另一 塊為恒流源模塊、信號(hào)采集模塊和控制模塊，通過同軸電纜與探頭模塊連接以采集信號(hào)，同 時(shí)與PC機(jī)連接并受控；
[0011] C、根據(jù)摸底試驗(yàn)結(jié)果，通過選擇PCB板電阻阻值調(diào)整探測(cè)器硬件參數(shù)，如恒流源 驅(qū)動(dòng)能力、探頭靈敏度、量程；通過設(shè)置PC軟件確定采樣通道、采樣率、數(shù)字濾波等數(shù)據(jù)采 集參數(shù)，并使之固化；
[0012] d、將探測(cè)器和PC機(jī)連接并調(diào)試正常，將探測(cè)器的探頭模塊置于不同粒子束下輻 照，同時(shí)通過設(shè)置PC機(jī)軟件在線采集探測(cè)器的響應(yīng)和溫度；
[0013] e、根據(jù)不同放射源對(duì)探頭材料的非電離能損，把探測(cè)器響應(yīng)與不同粒子源注量或 劑量的關(guān)系轉(zhuǎn)換成探測(cè)器響應(yīng)與位移損傷劑量的關(guān)系；
[0014] f、在探測(cè)器響應(yīng)達(dá)到預(yù)定值時(shí)，找出不同粒子源的位移損傷劑量，根據(jù)它們的比 例關(guān)系確定損傷增強(qiáng)因子K。
[0015] 步驟b探測(cè)器中要求恒流源模塊噪聲低；探頭模塊負(fù)載增大時(shí)，恒流源驅(qū)動(dòng)能力 不衰減，采集信號(hào)時(shí)通過PC機(jī)控制。
[0016] 根據(jù)探測(cè)器在不同粒子束下的響應(yīng)、損傷增強(qiáng)因子K，結(jié)合電子元器件工作的空 間輻射環(huán)境，能夠換算出等效地面模擬試驗(yàn)條件。
[0017] 本發(fā)明所述的一種基于p-i-n結(jié)構(gòu)的位移損傷劑量探測(cè)方法，該方法包含以下步 驟：
[0018] 首先進(jìn)行摸底試驗(yàn)，用半導(dǎo)體參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)定I-V曲線隨粒子注量的關(guān)系，據(jù) 此制定探頭驅(qū)動(dòng)和信號(hào)采集方式，如施加脈沖式恒流激勵(lì)測(cè)電壓；
[0019] 準(zhǔn)備兩組p-i-n結(jié)構(gòu)探頭，加電至工作模式，一組置于質(zhì)子或電子能夠產(chǎn)生位移 損傷的輻照源中，確認(rèn)探頭響應(yīng)隨注量增大；另一組置于 6°C〇Y等不產(chǎn)生位移損傷的電離 輻照源中，輻照劑量與質(zhì)子或電子產(chǎn)生的電離吸收劑量相同，確認(rèn)探頭輸出無顯著變化，以 質(zhì)子為例，質(zhì)子注量與其在硅材料中產(chǎn)生的電離吸收劑量換算為公式為：
[0020] Di= 1. 602X 10 10g?g(dE/dx)
[0021] 其中Di電離吸收劑量；Φ是注量；dE/dx是阻止本領(lǐng)；
[0022] 其次，驗(yàn)證該探頭僅對(duì)位移損傷敏感后，用電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件設(shè)計(jì)探測(cè)器，包括 p-i-n結(jié)構(gòu)探頭模塊、恒流源模塊、信號(hào)采集模塊、PC軟件及互連，并將輸出文件送至PCB加 工廠商，PCB板加工好后焊接元器件、編寫軟件程序，并調(diào)試功能正常；
[0023] 功能調(diào)試正常后，調(diào)節(jié)探測(cè)器參數(shù)，選擇脈沖式恒流正向注入探頭，需確定恒流值 及脈寬和占空比，不同恒流驅(qū)動(dòng)條件下，監(jiān)測(cè)并記錄探頭輻照時(shí)的響應(yīng)范圍和靈敏度，根據(jù) 待測(cè)條件選擇合適的恒流；生成不同脈寬和占空比組合的數(shù)字信號(hào)，作為恒流源和數(shù)據(jù)采 集模塊使能信號(hào)，監(jiān)測(cè)并記錄探頭在恒溫環(huán)境下的輸出信號(hào)，據(jù)此選擇合適的脈寬和占空 比，以避免探頭輸出受溫度影響而漂移；
[0024] 將探頭置于能夠產(chǎn)生位移損傷的不同輻照源中，如質(zhì)子和電子，分別記錄探測(cè)器 響應(yīng)與粒子注量Φ的關(guān)系，根據(jù)各自粒子的非電離能損傷（NIEL)，將注量轉(zhuǎn)換成位移損傷 劑量Dd，轉(zhuǎn)換公式為：

【權(quán)利要求】
1. 一種基于p-i-n結(jié)構(gòu)的位移損傷劑量探測(cè)方法，其特征在于按下列步驟進(jìn)行： a、 篩選p-i-n結(jié)構(gòu)的探頭，對(duì)篩選的探頭進(jìn)行摸底試驗(yàn)，將兩組探頭分別置于能夠產(chǎn) 生位移損傷的輻照源和不產(chǎn)生位移損傷的輻照源中，通過移位測(cè)試獲取I-V特性，確認(rèn)該 探頭對(duì)位移損傷敏感和對(duì)電離損傷不敏感； b、 研制探測(cè)器，探測(cè)器為兩塊PCB板，一塊為探頭模塊，置于輻照源中輻照；另一塊為 恒流源模塊、信號(hào)采集模塊和控制模塊，通過同軸電纜與探頭模塊連接以采集信號(hào)，同時(shí)與 PC機(jī)連接并受控； c、 根據(jù)摸底試驗(yàn)結(jié)果，通過選擇PCB板電阻阻值調(diào)整探測(cè)器硬件參數(shù)，如恒流源驅(qū)動(dòng) 能力、探頭靈敏度、量程；通過設(shè)置PC軟件確定采樣通道、采樣率、數(shù)字濾波等數(shù)據(jù)采集參 數(shù)，并使之固化； d、 將探測(cè)器和PC機(jī)連接并調(diào)試正常，將探測(cè)器的探頭模塊置于不同粒子束下輻照，同 時(shí)通過設(shè)置PC機(jī)軟件在線采集探測(cè)器的響應(yīng)和溫度； e、 根據(jù)不同放射源對(duì)探頭材料的非電離能損，將探測(cè)器響應(yīng)與不同粒子源注量或劑量 的關(guān)系轉(zhuǎn)換成探測(cè)器響應(yīng)與位移損傷劑量的關(guān)系； f、 在探測(cè)器響應(yīng)達(dá)到預(yù)定值時(shí)，找出不同粒子源的位移損傷劑量，根據(jù)它們的比例關(guān) 系確定損傷增強(qiáng)因子％。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟b探測(cè)器中要求恒流源模塊噪聲低； 探頭模塊負(fù)載增大時(shí)，恒流源驅(qū)動(dòng)能力不衰減，采集信號(hào)時(shí)通過PC機(jī)控制。
【文檔編號(hào)】G01T1/00GK104459372SQ201410629535
【公開日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年11月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月10日
【發(fā)明者】于新, 何承發(fā), 施煒雷, 郭 旗, 文林, 張興堯, 孫靜, 李豫東 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所