一种基于高温氢气浸泡技术的双极型器件低剂量率增强效应加速试验方法

摘要

一种基于高温氢气浸泡技术的双极型器件低剂量率增强效应加速试验方法，涉及电子技术领域。本发明是为了解决现有的地面实验采用实际空间环境的低剂量率评估电子元器件进行抗辐射能力，导致辐照时间长的问题。本发明所述的采用TCAD软件模拟氢气气氛下的双极型器件电性能及电离辐射缺陷的变化规律，根据氢气气氛中双极型器件内的氧化物电荷与界面态密度，获得氢气浸泡的时间与氢气浓度，通过氢气浸泡、加热，加速双极型器件内部的电离辐射缺陷产生，从而起到加速低剂量率增强效应评价的作用，达到用高温氢气浸泡条件下高剂量率辐照双极型器件与低剂量率条件下辐照双极型器件的辐照时间相比所用的时间短的目的。它可用于航天电子系统中。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于高温氢气浸泡技术的双极型器件低剂量率增强效应加速试验方 法。属于电子技术领域。

背景技术

在电离辐射环境中，双极型器件及电路在低剂量率辐照下受到的辐射损伤，要比在高 剂量率条件下大得多，这就是所谓的低剂量率辐射损伤增强效应(ELDRS)。电子元器件在 空间环境服役期间普遍存在着ELDRS效应，这给电子元器件的抗辐射能力地面辐照模拟实 验测试评估方法带来了巨大挑战。由于航天器在轨服役期间所受到的典型辐照剂量率为 10^-4～10^-2rad(Si)/s，而通常的地面辐照实验所用的剂量率为50～300rad(Si)/s。由于ELDRS 效应的存在，使得地面实验室测试方法得到的器件抗辐射水平与在空间环境下使用的双极 器件的实际抗辐射能力严重不符合，从而给航天电子系统的可靠性带来极大的隐患。自上 世纪90年代起，双极器件(晶体管及电路)低剂量率增强效应(ELDRS—Enhanced Low Dose  Rate Sensitivity)及机理就一直是电子器件空间辐照效应研究的热点问题。由于航天器在轨环 境的辐照剂量率很低，而地面模拟实验不可能完全模拟在轨的剂量率条件，需要进行相应 的加速实验。然而，目前尚没有ELDRS效应加速实验的普适方法。如果地面实验采用实际 空间环境的低剂量率评估电子元器件进行抗辐射能力既不经济又耗时，需要对双极器件的 ELDRS效应进行加速试验。

通过研究发现氢气在电子器件内部会对电子器件的低剂量率增强效应起到关键性的影 响作用，进而影响器件的抗辐照能力。氢的存在可使器件内部电离损伤缺陷的状态发生改 变，从而加深电子元器件的ELDRS效应。因此，本发明通过氢气浸泡的方法来加速双极晶 体管内部剂量率增强效应。这不仅能够大幅缩减实验费用，也可为优化双极晶体管和电路 抗辐照性能提供必要依据，对整个集成电路的低剂量率增强效应测试和研究具有重大的意 义。

发明内容

本发明是为了解决现有的地面实验采用实际空间环境的低剂量率评估电子元器件进行 抗辐射能力，导致辐照时间长的问题。现提供一种基于高温氢气浸泡技术的双极型器件低 剂量率增强效应加速试验方法。

一种基于高温氢气浸泡技术的双极型器件低剂量率增强效应加速试验方法，它包括以 下步骤：

步骤一、采用TCAD软件模拟氢气气氛下的双极型器件电性能及电离辐射缺陷的变化 规律，根据氢气气氛中双极型器件内的氧化物电荷与界面态密度，获得氢气浸泡的时间为 10分钟～5小时，氢气浓度范围为0.01%-200%；

步骤二、将步骤一中的双极型器件放置在玻璃管中，利用机械泵抽真空，直到玻璃管 内的真空度为等于或小于0.0001Pa为止，然后向玻璃管中注入氢气，直到玻璃管内的氢气 浓度为步骤一获得的氢气浓度，密封玻璃管，直到玻璃管内的氢气浸泡时间达到步骤一获 得的氢气浸泡时间为止；

步骤三、将密封的玻璃管放入炉温为100～200℃的退火炉中进行加热，保温0.5小时～ 5小时；

步骤四、采用Co-60辐照源在高剂量率条件下辐照步骤三中密封的玻璃管，达到设定 的双极型器件辐照吸收总剂量，记录该双极型器件的辐照时间。

本发明采用TCAD软件模拟氢气气氛下的双极型器件电性能及电离辐射缺陷的变化规 律，根据氢气气氛中双极型器件内的氧化物电荷与界面态密度，获得氢气浸泡的时间与氢 气浓度，通过氢气浸泡、加热，加速双极型器件内部的电离辐射缺陷产生，从而起到加速 低剂量率增强效应的作用，达到用氢气浸泡条件下高剂量率辐照双极型器件与低剂量率条 件下辐照双极型器件的辐照时间相比所用的时间短的目的。它可用于航天电子系统中。

附图说明

图1为双极型器件的电离辐射缺陷分布示意图，

图2为在有无高温氢气浸泡环境下，双极型器件低剂量率辐照条件下过剩基极电流的 变化量对比图，其中，1表示无高温氢气浸泡环境下，双极型器件低剂量率辐照条件下过 剩基极电流的变化图，2表示有高温氢气浸泡环境下，双极型器件低剂量率辐照条件下过 剩基极电流的变化图，

图3为在不同浓度氢气浸泡条件下，电流增益变化量随辐照注量的变化曲线对比图， 其中，曲线3表示100%浓度氢气浸泡条件下，剂量率为1rad/s辐照条件下，电流增益变化 量随辐照剂量的变化曲线图，曲线4表示低剂量率0.01rad/s辐照条件下，电流增益变化量 随辐照剂量的变化曲线图，曲线5表示50%浓度氢气浸泡条件下，剂量率为1rad/s辐照条 件下，电流增益变化量随辐照剂量的变化曲线图，曲线6表示10%浓度氢气浸泡条件下， 剂量率为1rad/s辐照条件下，电流增益变化量随辐照剂量的变化曲线图，曲线7表示0%浓 度氢气浸泡条件下，剂量率为1rad/s辐照条件下，电流增益变化量随辐照剂量的变化曲线 图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式所述的一种基于高温氢气浸泡技术的双极型器件低剂量 率增强效应加速试验方法，它包括以下步骤：

步骤一、采用TCAD软件模拟氢气气氛下的双极型器件电性能及电离辐射缺陷的变化 规律，根据氢气气氛中双极型器件内的氧化物电荷与界面态密度，获得氢气浸泡的时间为 10分钟～5小时，氢气浓度范围为0.01%-200%；

步骤二、将步骤一中的双极型器件放置在玻璃管中，利用机械泵抽真空，直到玻璃管 内的真空度为等于或小于0.0001Pa为止，然后向玻璃管中注入氢气，直到玻璃管内的氢气 浓度为步骤一获得的氢气浓度，密封玻璃管，直到玻璃管内的氢气浸泡时间达到步骤一获 得的氢气浸泡时间为止；

步骤三、将密封的玻璃管放入炉温为100～200℃的退火炉中进行加热，保温0.5小时～ 5小时；

步骤四、采用Co-60辐照源在高剂量率条件下辐照步骤三中密封的玻璃管，达到设定 的双极型器件辐照吸收总剂量，记录该双极型器件的辐照时间。

本实施方式中所应用的TCAD软件全称为Technology Computer Aided Design，半导体 工艺模拟以及器件模拟工具，该软件的发行商为美国Silvaco公司。其作用是通过设定器件 的结构参数、加工工艺、外界条件等参数，来模拟器件的电性能及内部状态。

在设定的双极型器件辐照吸收总剂量相同条件下，本实施方式与低剂量率条件下辐照 双极型器件的辐照时间相比较，辐照时间更短。

本实施方式中，在不影响双极器件的低剂量率物理作用机制的基础上，通过氢气浸泡， 加速器件内部的电离辐射缺陷产生，从而起到加速低剂量率增强效应的作用，达到用氢气 浸泡条件下高剂量率辐照实验来模拟低剂量率增强效应的目的。双极型器件的电离辐射缺 陷分布示意图，如图1所示。

低剂量率增强效应所产生的辐射损伤是以正氧化物电荷与界面态为主，这两类缺陷会 对器件的过剩基极电流和电流增益产生较大的影响，导致器件发生性能退化。高剂量率辐 照会在器件的氧化物层中形成电荷区阻碍电离辐射缺陷的产生与传输，通过氢气浸泡技术， 可以避免器件的氧化层内部产生电荷区，大大提升电离辐射缺陷的密度以及氧化物电荷及 界面态的产生速度，进而缩短低剂量率增强试验的测试时间，达到用氢气浸泡条件下高剂 量率辐照实验来实现低剂量率增强效应加速的目的。

本实施方式中，如图2所示，与低剂量率辐照条件下的双极型器件相比，在相同的辐 照吸收剂量下，辐照剂量率为0.1rad/s，温度为150℃，2小时保温，100%氢气浸泡环境中 高剂量率辐照的双极型器件的过剩基极电流相对较高，约高出10%。另外，如图3所示， 氢气浸泡浓度越高，相同吸收剂量下辐射损伤越大，和低剂量率辐照条件最为接近。

本实施方式中的步骤一中的氢气浓度范围最佳为1%-100%。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一所述的一种基于高温氢气浸泡技术的 双极型器件低剂量率增强效应加速试验方法的不同点在于，在步骤三中，加热温度为150～ 200℃，保温时间为10分钟～120分钟。

本实施方式中，加热温度高，有利于氢气扩散，因此可以缩短对密封的玻璃管的保温 时间，缩短试验时间。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一所述的一种基于高温氢气浸泡技术的 双极型器件低剂量率增强效应加速试验方法的不同点在于，步骤一中，获得氢气浸泡的时 间与氢气浓度的具体方法为：

采用TCAD模拟仿真不同的氢气浸泡的时间与氢气浓度组合下，氢气气氛中双极型器 件内的氧化物电荷密度和界面态密度，根据仿真结果选择氢气气氛中双极型器件内的氧化 物电荷密度为1E10/cm³到1E15/cm³范围内、并且氢气气氛中双极型器件内的界面态密度 为1E10/cm³到1E15/cm³范围内的多组数据中的任意一组氢气浸泡的时间与氢气浓度作为 选择结果。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一所述的一种基于高温氢气浸泡技术的 双极型器件低剂量率增强效应加速试验方法的不同点在于，步骤一中，获得氢气浸泡的时 间与氢气浓度的具体方法为：

采用TCAD模拟仿真不同的氢气浸泡的时间与氢气浓度组合下，氢气气氛中双极型器 件内的氧化物电荷密度和界面态密度，根据仿真结果选择氢气气氛中双极型器件内的氧化 物电荷密度最接近2E13/cm³、并且氢气气氛中双极型器件内的界面态密度最接近1E14/cm³的一组氢气浸泡的时间与氢气浓度作为选择结果。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一所述的一种基于高温氢气浸泡技术的 双极型器件低剂量率增强效应加速试验方法的不同点在于，双极型器件包括NPN器件、PNP 器件、数字双极电路、模拟双极电路及数模/模数电路。