基於p-i-n結構的位移損傷劑量探測方法
2023-07-22 08:53:36 1
基於p-i-n結構的位移損傷劑量探測方法
【專利摘要】本發明涉及一種基於p-i-n結構的位移損傷劑量探測方法，該方法包括篩選p-i-n結構的探頭，探測器參數調整及確認，在不同放射源下獲取探測器響應並標定；根據不同放射源對探頭材料的非電離能損 NIEL ，將探測器響應與不同放射源注量或劑量的關系統一成探測器響應與位移損傷劑量的關係；根據實際探測結果確定損傷增強因子。該方法優勢在於其探測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的粒子；與探測粒子種類、能譜相比，能夠直接反映半導體元器件的位移損傷程度；基於此結構的探測器便攜、靈活、易用，適用於空間環境監測、半導體元器件位移損傷效應評估及壽命預測。
【專利說明】基於p-i-η結構的位移損傷劑量探測方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及輻射環境探測方法，特別是一種基於p-i-n結構的位移損傷劑量探測 方法，屬於福射效應評估技術、福射場探測技術和微電子技術。
【背景技術】
[0002] 空間輻射環境包括銀河宇宙線、太陽活動事件及地球俘獲帶，對元器件造成空間 輻射效應，位移損傷效應是其中之一。目前描述空間輻射環境的模型有美國國家航空航天 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、地球俘獲帶內質子和電子能量及空間分布，並受周期性 太陽事件的擾動情況。
[0003] 由於位移損傷效應是空間輻射環境與元器件半導體材料相互作用的結果，即空間 輻射環境中高能質子、電子及其他高能粒子與元器材料的晶格發生彈性散射，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缺陷為主要形式的晶格缺陷，並產生相應 的缺陷能級，使元器件受到不可逆的性能、參數退化。上述空間輻射環境模型僅描述了粒子 種類、能量及通量，對研宄位移損傷效應的支持尚不充分，原因是空間輻射環境的多樣性及 器件結構、工藝的複雜性。根據第一性原理，從粒子入射半導體材料推導實際器件的參數退 化是一個非常複雜的過程，且隨著新器件的不斷湧現，模擬仿真方面尚需大量研宄需要開 展，在實際評估器件位移損傷效應時不具有可行性。
[0004] 目前對位移損傷效應的研宄一般方法，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境因素統一成Del。對於一款待評估器件，在地面模擬 實驗中得出器件參數退化與Dd的關係，根據不同種類粒子束輻照結果的差異，得出損傷增 強因子κ，即粒子各自造成位移損傷的權重。如果該器件空間應用環境和工作年限已知， 可根據空間輻射環境模型預估粒子種類、能量及通量，根據各粒子權重，換算成單一種類粒 子、單一能量下的Dd，於是在評估該器件位移損傷效應時，可用單一能量的一種粒子束，如 IMeV中子，等效其實際空間輻射環境對位移損傷效應的貢獻。該方法能夠準確快捷地實現 位移損傷效應評估，以滿足工程需求。
[0005] 但是地面輻照裝置如質子、電子、重離子等造成位移損傷的同時也會造成電離損 傷。上述方法得以實現的重要前提是，需要一種對位移損傷敏感，對電離損傷不敏感的探測 器。當探測器在不同粒子束下進行輻照，根據各自響應換算不同粒子種類、不同能量下的 等效Dd時，必須排除電離損傷的影響才能保證其有效性。
[0006] 位移損傷效應評估工作急需一種位移損傷劑量探測方法，保證評估試驗能夠正確 地開展，並保證電子元器件在空間環境中壽命預測的準確性。
【發明內容】
[0007] 本發明目的在於，提供一種基於p-i-n結構的位移損傷劑量探測方法，該方法包 括篩選p-i-n結構的探頭，探測器，探測器參數調整及確認，在不同放射源下獲取探測器響 應並標定；根據不同放射源對探頭材料的非電離能損NIEL，將探測器響應與不同放射源注 量或劑量的關系統一成探測器響應與位移損傷劑量的關係；根據實際探測結果確定損傷增 強因子。該方法優勢在於其探測的物理量是位移損傷劑量，包含任何能夠造成位移損傷效 應的粒子；與探測粒子種類、能譜相比，能夠直接反映半導體元器件的位移損傷程度；基於 此結構的探測器便攜、靈活、易用，適用於空間環境監測、半導體元器件位移損傷效應評估 及壽命預測。該方法與粒子種類、能譜等物理學探測不同，旨在探測電子元器件被輻照後， 經非電離過程造成的吸收劑量，是針對工程應用的一種探測方法，為位移損傷效應評估及 研宄工作提供基礎數據支持。
[0008] 本發明所述的基於p-i-n結構的位移損傷劑量探測方法，按下列步驟進行：
[0009] a、篩選p-i-n結構的探頭，對篩選的探頭進行摸底試驗，將兩組探頭分別置於能 夠產生位移損傷的輻照源和不產生位移損傷的輻照源中，通過移位測試獲取I-V特性，確 認該探頭對位移損傷敏感和對電離損傷不敏感；
[0010] b、研製探測器，探測器為兩塊PCB板，一塊為探頭模塊，置於輻照源中輻照；另一 塊為恆流源模塊、信號採集模塊和控制模塊，通過同軸電纜與探頭模塊連接以採集信號，同 時與PC機連接並受控；
[0011] C、根據摸底試驗結果，通過選擇PCB板電阻阻值調整探測器硬體參數，如恆流源 驅動能力、探頭靈敏度、量程；通過設置PC軟體確定採樣通道、採樣率、數字濾波等數據採 集參數，並使之固化；
[0012] d、將探測器和PC機連接並調試正常，將探測器的探頭模塊置於不同粒子束下輻 照，同時通過設置PC機軟體在線採集探測器的響應和溫度；
[0013] e、根據不同放射源對探頭材料的非電離能損，把探測器響應與不同粒子源注量或 劑量的關係轉換成探測器響應與位移損傷劑量的關係；
[0014] f、在探測器響應達到預定值時，找出不同粒子源的位移損傷劑量，根據它們的比 例關係確定損傷增強因子K。
[0015] 步驟b探測器中要求恆流源模塊噪聲低；探頭模塊負載增大時，恆流源驅動能力 不衰減，採集信號時通過PC機控制。
[0016] 根據探測器在不同粒子束下的響應、損傷增強因子K，結合電子元器件工作的空 間輻射環境，能夠換算出等效地面模擬試驗條件。
[0017] 本發明所述的一種基於p-i-n結構的位移損傷劑量探測方法，該方法包含以下步 驟：
[0018] 首先進行摸底試驗，用半導體參數測試系統測定I-V曲線隨粒子注量的關係，據 此制定探頭驅動和信號採集方式，如施加脈衝式恆流激勵測電壓；
[0019] 準備兩組p-i-n結構探頭，加電至工作模式，一組置於質子或電子能夠產生位移 損傷的輻照源中，確認探頭響應隨注量增大；另一組置於 6°C〇Y等不產生位移損傷的電離 輻照源中，輻照劑量與質子或電子產生的電離吸收劑量相同，確認探頭輸出無顯著變化，以 質子為例，質子注量與其在矽材料中產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；
[0022] 其次，驗證該探頭僅對位移損傷敏感後，用電子設計自動化軟體設計探測器，包括 p-i-n結構探頭模塊、恆流源模塊、信號採集模塊、PC軟體及互連，並將輸出文件送至PCB加 工廠商，PCB板加工好後焊接元器件、編寫軟體程序，並調試功能正常；
[0023] 功能調試正常後，調節探測器參數，選擇脈衝式恆流正向注入探頭，需確定恆流值 及脈寬和佔空比，不同恆流驅動條件下，監測並記錄探頭輻照時的響應範圍和靈敏度，根據 待測條件選擇合適的恆流；生成不同脈寬和佔空比組合的數位訊號，作為恆流源和數據採 集模塊使能信號，監測並記錄探頭在恆溫環境下的輸出信號，據此選擇合適的脈寬和佔空 比，以避免探頭輸出受溫度影響而漂移；
[0024] 將探頭置於能夠產生位移損傷的不同輻照源中，如質子和電子，分別記錄探測器 響應與粒子注量Φ的關係，根據各自粒子的非電離能損傷（NIEL)，將注量轉換成位移損傷 劑量Dd，轉換公式為：
【權利要求】
1. 一種基於p-i-n結構的位移損傷劑量探測方法，其特徵在於按下列步驟進行： a、 篩選p-i-n結構的探頭，對篩選的探頭進行摸底試驗，將兩組探頭分別置於能夠產 生位移損傷的輻照源和不產生位移損傷的輻照源中，通過移位測試獲取I-V特性，確認該 探頭對位移損傷敏感和對電離損傷不敏感； b、 研製探測器，探測器為兩塊PCB板，一塊為探頭模塊，置於輻照源中輻照；另一塊為 恆流源模塊、信號採集模塊和控制模塊，通過同軸電纜與探頭模塊連接以採集信號，同時與 PC機連接並受控； c、 根據摸底試驗結果，通過選擇PCB板電阻阻值調整探測器硬體參數，如恆流源驅動 能力、探頭靈敏度、量程；通過設置PC軟體確定採樣通道、採樣率、數字濾波等數據採集參 數，並使之固化； d、 將探測器和PC機連接並調試正常，將探測器的探頭模塊置於不同粒子束下輻照，同 時通過設置PC機軟體在線採集探測器的響應和溫度； e、 根據不同放射源對探頭材料的非電離能損，將探測器響應與不同粒子源注量或劑量 的關係轉換成探測器響應與位移損傷劑量的關係； f、 在探測器響應達到預定值時，找出不同粒子源的位移損傷劑量，根據它們的比例關 系確定損傷增強因子％。
2. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於步驟b探測器中要求恆流源模塊噪聲低； 探頭模塊負載增大時，恆流源驅動能力不衰減，採集信號時通過PC機控制。
【文檔編號】G01T1/00GK104459372SQ201410629535
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月10日 優先權日:2014年11月10日
【發明者】於新, 何承發, 施煒雷, 郭 旗, 文林, 張興堯, 孫靜, 李豫東 申請人:中國科學院新疆理化技術研究所