基于p-i-n结构的位移损伤剂量探测方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于p-i-n结构的位移损伤剂量探测方法，该方法包括筛选p-i-n结构的探头，探测器参数调整及确认，在不同放射源下获取探测器响应并标定；根据不同放射源对探头材料的非电离能损 NIEL ，将探测器响应与不同放射源注量或剂量的关系统一成探测器响应与位移损伤剂量的关系；根据实际探测结果确定损伤增强因子。该方法优势在于其探测的物理量是位移损伤剂量，包含任何能够造成位移损伤效应的粒子；与探测粒子种类、能谱相比，能够直接反映半导体元器件的位移损伤程度；基于此结构的探测器便携、灵活、易用，适用于空间环境监测、半导体元器件位移损伤效应评估及寿命预测。
【专利说明】基于p-i-η结构的位移损伤剂量探测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及辐射环境探测方法，特别是一种基于p-i-n结构的位移损伤剂量探测 方法，属于福射效应评估技术、福射场探测技术和微电子技术。
【背景技术】
[0002] 空间辐射环境包括银河宇宙线、太阳活动事件及地球俘获带，对元器件造成空间 辐射效应，位移损伤效应是其中之一。目前描述空间辐射环境的模型有美国国家航空航天 局（NASA)等公布的银河宇宙线模型、AP-8、AE-8模型和太阳质子模型，给出了高能粒子的 元素丰度及在不同能量下的通量、地球俘获带内质子和电子能量及空间分布，并受周期性 太阳事件的扰动情况。
[0003] 由于位移损伤效应是空间辐射环境与元器件半导体材料相互作用的结果，即空间 辐射环境中高能质子、电子及其他高能粒子与元器材料的晶格发生弹性散射，以非电离能 的形式在晶格中沉积能量，形成以簇状缺陷和点缺陷为主要形式的晶格缺陷，并产生相应 的缺陷能级，使元器件受到不可逆的性能、参数退化。上述空间辐射环境模型仅描述了粒子 种类、能量及通量，对研宄位移损伤效应的支持尚不充分，原因是空间辐射环境的多样性及 器件结构、工艺的复杂性。根据第一性原理，从粒子入射半导体材料推导实际器件的参数退 化是一个非常复杂的过程，且随着新器件的不断涌现，模拟仿真方面尚需大量研宄需要开 展，在实际评估器件位移损伤效应时不具有可行性。
[0004] 目前对位移损伤效应的研宄一般方法，是以G. P. Summers提出的非电离能损NIEL 和位移损伤剂量Dd展开的，其思想是根据不同种类粒子入射不同材料的NIEL及粒子注量 Φ，将可以造成位移损伤的各种辐射环境因素统一成Del。对于一款待评估器件，在地面模拟 实验中得出器件参数退化与Dd的关系，根据不同种类粒子束辐照结果的差异，得出损伤增 强因子κ，即粒子各自造成位移损伤的权重。如果该器件空间应用环境和工作年限已知， 可根据空间辐射环境模型预估粒子种类、能量及通量，根据各粒子权重，换算成单一种类粒 子、单一能量下的Dd，于是在评估该器件位移损伤效应时，可用单一能量的一种粒子束，如 IMeV中子，等效其实际空间辐射环境对位移损伤效应的贡献。该方法能够准确快捷地实现 位移损伤效应评估，以满足工程需求。
[0005] 但是地面辐照装置如质子、电子、重离子等造成位移损伤的同时也会造成电离损 伤。上述方法得以实现的重要前提是，需要一种对位移损伤敏感，对电离损伤不敏感的探测 器。当探测器在不同粒子束下进行辐照，根据各自响应换算不同粒子种类、不同能量下的 等效Dd时，必须排除电离损伤的影响才能保证其有效性。
[0006] 位移损伤效应评估工作急需一种位移损伤剂量探测方法，保证评估试验能够正确 地开展，并保证电子元器件在空间环境中寿命预测的准确性。
【发明内容】
[0007] 本发明目的在于，提供一种基于p-i-n结构的位移损伤剂量探测方法，该方法包 括筛选p-i-n结构的探头，探测器，探测器参数调整及确认，在不同放射源下获取探测器响 应并标定；根据不同放射源对探头材料的非电离能损NIEL，将探测器响应与不同放射源注 量或剂量的关系统一成探测器响应与位移损伤剂量的关系；根据实际探测结果确定损伤增 强因子。该方法优势在于其探测的物理量是位移损伤剂量，包含任何能够造成位移损伤效 应的粒子；与探测粒子种类、能谱相比，能够直接反映半导体元器件的位移损伤程度；基于 此结构的探测器便携、灵活、易用，适用于空间环境监测、半导体元器件位移损伤效应评估 及寿命预测。该方法与粒子种类、能谱等物理学探测不同，旨在探测电子元器件被辐照后， 经非电离过程造成的吸收剂量，是针对工程应用的一种探测方法，为位移损伤效应评估及 研宄工作提供基础数据支持。
[0008] 本发明所述的基于p-i-n结构的位移损伤剂量探测方法，按下列步骤进行：
[0009] a、筛选p-i-n结构的探头，对筛选的探头进行摸底试验，将两组探头分别置于能 够产生位移损伤的辐照源和不产生位移损伤的辐照源中，通过移位测试获取I-V特性，确 认该探头对位移损伤敏感和对电离损伤不敏感；
[0010] b、研制探测器，探测器为两块PCB板，一块为探头模块，置于辐照源中辐照；另一 块为恒流源模块、信号采集模块和控制模块，通过同轴电缆与探头模块连接以采集信号，同 时与PC机连接并受控；
[0011] C、根据摸底试验结果，通过选择PCB板电阻阻值调整探测器硬件参数，如恒流源 驱动能力、探头灵敏度、量程；通过设置PC软件确定采样通道、采样率、数字滤波等数据采 集参数，并使之固化；
[0012] d、将探测器和PC机连接并调试正常，将探测器的探头模块置于不同粒子束下辐 照，同时通过设置PC机软件在线采集探测器的响应和温度；
[0013] e、根据不同放射源对探头材料的非电离能损，把探测器响应与不同粒子源注量或 剂量的关系转换成探测器响应与位移损伤剂量的关系；
[0014] f、在探测器响应达到预定值时，找出不同粒子源的位移损伤剂量，根据它们的比 例关系确定损伤增强因子K。
[0015] 步骤b探测器中要求恒流源模块噪声低；探头模块负载增大时，恒流源驱动能力 不衰减，采集信号时通过PC机控制。
[0016] 根据探测器在不同粒子束下的响应、损伤增强因子K，结合电子元器件工作的空 间辐射环境，能够换算出等效地面模拟试验条件。
[0017] 本发明所述的一种基于p-i-n结构的位移损伤剂量探测方法，该方法包含以下步 骤：
[0018] 首先进行摸底试验，用半导体参数测试系统测定I-V曲线随粒子注量的关系，据 此制定探头驱动和信号采集方式，如施加脉冲式恒流激励测电压；
[0019] 准备两组p-i-n结构探头，加电至工作模式，一组置于质子或电子能够产生位移 损伤的辐照源中，确认探头响应随注量增大；另一组置于 6°C〇Y等不产生位移损伤的电离 辐照源中，辐照剂量与质子或电子产生的电离吸收剂量相同，确认探头输出无显著变化，以 质子为例，质子注量与其在硅材料中产生的电离吸收剂量换算为公式为：
[0020] Di= 1. 602X 10 10g?g(dE/dx)
[0021] 其中Di电离吸收剂量；Φ是注量；dE/dx是阻止本领；
[0022] 其次，验证该探头仅对位移损伤敏感后，用电子设计自动化软件设计探测器，包括 p-i-n结构探头模块、恒流源模块、信号采集模块、PC软件及互连，并将输出文件送至PCB加 工厂商，PCB板加工好后焊接元器件、编写软件程序，并调试功能正常；
[0023] 功能调试正常后，调节探测器参数，选择脉冲式恒流正向注入探头，需确定恒流值 及脉宽和占空比，不同恒流驱动条件下，监测并记录探头辐照时的响应范围和灵敏度，根据 待测条件选择合适的恒流；生成不同脉宽和占空比组合的数字信号，作为恒流源和数据采 集模块使能信号，监测并记录探头在恒温环境下的输出信号，据此选择合适的脉宽和占空 比，以避免探头输出受温度影响而漂移；
[0024] 将探头置于能够产生位移损伤的不同辐照源中，如质子和电子，分别记录探测器 响应与粒子注量Φ的关系，根据各自粒子的非电离能损伤（NIEL)，将注量转换成位移损伤 剂量Dd，转换公式为：
【权利要求】
1. 一种基于p-i-n结构的位移损伤剂量探测方法，其特征在于按下列步骤进行： a、 筛选p-i-n结构的探头，对筛选的探头进行摸底试验，将两组探头分别置于能够产 生位移损伤的辐照源和不产生位移损伤的辐照源中，通过移位测试获取I-V特性，确认该 探头对位移损伤敏感和对电离损伤不敏感； b、 研制探测器，探测器为两块PCB板，一块为探头模块，置于辐照源中辐照；另一块为 恒流源模块、信号采集模块和控制模块，通过同轴电缆与探头模块连接以采集信号，同时与 PC机连接并受控； c、 根据摸底试验结果，通过选择PCB板电阻阻值调整探测器硬件参数，如恒流源驱动 能力、探头灵敏度、量程；通过设置PC软件确定采样通道、采样率、数字滤波等数据采集参 数，并使之固化； d、 将探测器和PC机连接并调试正常，将探测器的探头模块置于不同粒子束下辐照，同 时通过设置PC机软件在线采集探测器的响应和温度； e、 根据不同放射源对探头材料的非电离能损，将探测器响应与不同粒子源注量或剂量 的关系转换成探测器响应与位移损伤剂量的关系； f、 在探测器响应达到预定值时，找出不同粒子源的位移损伤剂量，根据它们的比例关 系确定损伤增强因子％。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤b探测器中要求恒流源模块噪声低； 探头模块负载增大时，恒流源驱动能力不衰减，采集信号时通过PC机控制。
【文档编号】G01T1/00GK104459372SQ201410629535
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年11月10日 优先权日:2014年11月10日
【发明者】于新, 何承发, 施炜雷, 郭 旗, 文林, 张兴尧, 孙静, 李豫东 申请人:中国科学院新疆理化技术研究所