一種寬禁帶半導體器件輻射效應雷射模擬系統的製作方法
2023-04-25 09:16:59 1
本發明屬於半導體器件輻射效應研究領域，主要涉及一種寬禁帶半導體器件輻射效應雷射模擬系統。
背景技術：
半導體器件的瞬時劑量率輻射效應是指暴露於瞬時的脈衝γ射線輻射下的半導體器件所表現出的電離輻射損傷，其機理是由於瞬時的電離脈衝輻射在半導體材料中激發電子—空穴對，這些光生載流子在被器件收集的過程中將產生瞬時光電流。當輻射劑量率增大到一定程度時，此光電流將可能等於甚至大於電路本身的電流信號，導致電路功能紊亂或失效。因此，深入研究半導體器件的輻射效應的機理和影響並探討其抗輻射加固技術是研究人員長期以來關注的課題。碳化矽和氮化鎵半導體材料具有寬禁帶、高擊穿場強、高飽和電子漂移速率以及抗輻射能力強等優點，特別適合應用於高頻、高功率、抗輻射的功率器件，並且可以在高溫惡劣環境下工作。由於具備這些優點，寬禁帶半導體功率器件可以明顯提高電子信息系統的性能，廣泛應用於人造衛星、火箭、雷達、通訊、海洋勘探等重要領域。隨著寬禁帶半導體材料越來越廣泛的應用，對寬禁帶半導體器件抗輻射性能的研究也越來越重要。
前期，研究人員主要依靠電子直線電子加速器、各种放射源等大型地面裝置開展輻射效應研究。但這些大型地面輻射模擬裝置存在如下局限性：輻射測量範圍有限、參數調節非常困難、改變輻射種類和能量需要的時間長、對被測器件有損傷、難於精確提供器件在輻射下的精確時間和空間信息、需要嚴格的輻射屏蔽和保護措施等，難以滿足研究人員在設計初期，在實驗室中靈活、快捷、安全地對半導體器件輻射效應和工作性能進行研究和驗證的需求。由於雷射可以在半導體器件內產生同某些輻射效應相近的電學特徵，雷射模擬輻射電離效應方法應運而生。近二十餘年來，得到了國外科研界的推廣和認可，在半導體器件輻射效應敏感性測試、抗輻射加固器件的批量篩選以及防護措施驗證等方面中證實了其獨特優勢，可以在很大程度上彌補地面裝置模擬方法的不足，具有非常廣闊的應用前景。目前國內部分單位建立了針對矽基器件的單粒子效應雷射模擬系統，也有單位建立了針對矽基器件的輻射劑量率效應雷射模擬系統，但尚無針對寬禁帶半導體器件的輻射效應雷射模擬系統，不能滿足對寬禁帶半導體器件的輻射效應雷射模擬的需求。
技術實現要素：
針對目前國內目前尚無針對寬禁帶半導體器件的輻射效應雷射模擬系統的現狀，以及其它地面模擬裝置的固有限制，本發明提出了一種寬禁帶半導體器件輻射效應雷射模擬系統，利用光子能量大於寬禁帶半導體材料禁帶寬度的短波長脈衝雷射輻照寬禁帶半導體器件，可根據實際需求設定設置波長為210nm或者355nm，利用210nm和355m雷射在半導體器件中穿透深度不同的特點定位半導體器件靈敏層，可靈活快捷地在實驗室條件下對寬禁帶半導體器件輻射劑量率效應進行研究和驗證，並且該實驗模擬系統具備小型化、集成化的特點。
本發明技術方案如下：
一種寬禁帶半導體器件輻射效應雷射模擬系統，其特徵在於：包括短波長脈衝雷射產生與衰減系統、顯微成像與能量監測系統、測試與控制系統；
所述短波長脈衝雷射產生與衰減系統，用於產生短波長脈衝雷射，並對根據實際實驗需求對單脈衝雷射的能量進行衰減；
所述顯微成像與能量監測系統，用於對寬禁帶半導體器件測試樣品進行成像，並對作用於寬禁帶半導體器件測試樣品的脈衝雷射進行能量測量；
所述測試與控制系統，用於採集並記錄寬禁帶半導體器件測試樣品輻射電離效應的響應電信號。
所述短波長脈衝雷射產生與衰減系統包括短波長脈衝雷射器、衰減鏡片模組、反射鏡，短波長脈衝雷射器、衰減鏡片模組和反射鏡安裝於遮光罩內。所述短波長脈衝雷射器用於產生波長為210nm或355nm的短波長脈衝雷射，在空間位置上依次經過衰減鏡片模組、反射鏡。
優選的，遮光罩的內部表面粗糙，不發生鏡面反射，且易拆卸。
所述顯微成像與能量監測系統包括CCD攝像頭、分光鏡、指引光源、能量計探頭、分光稜鏡、調焦機構、物鏡轉盤、物鏡、支架；支架包括底板、豎直支撐杆和頂部的水平杆，所述CCD攝像頭、分光鏡、指引光源、能量計探頭、分光稜鏡安裝於支架頂部的水平杆上，調焦機構安裝於水平杆末端的下面，物鏡轉盤安裝於調焦機構的下面，物鏡安裝於物鏡轉盤的下面。
在空間位置上，所述短波長脈衝雷射經過反射鏡後到達分光鏡，經過分光鏡分成兩束，一束為水平方向，另一束為豎直方向，水平方向的短波長脈衝雷射經過分光稜鏡分別到達CCD攝像頭和能量計探頭，分光稜鏡對應的位置上設置指引光源，豎直方向的短波長脈衝雷射依次經過調焦機構、物鏡轉盤、物鏡後到達寬禁帶半導體器件測試樣品表面。
所述指引光源在空間位置上依次經過分光稜鏡、分光鏡、調焦機構、物鏡轉盤、物鏡後到達寬禁帶半導體器件測試樣品表面；指引光源在分光鏡上與短波長脈衝雷射合束後，到達寬禁帶半導體器件測試樣品表面上時，指引光源與短波長脈衝雷射的光斑中心重合。
優選的，指引光源為波長為532nm的連續雷射，功率不大於1mW。
所述測試與控制系統包括精密位移平臺和示波器，寬禁帶半導體器件測試測試樣品放置於精密位移平臺上，通過控制精密位移平臺來精確控制光斑作用於寬禁帶半導體器件測試樣品上的位置。
優選的，精密位移平臺為六軸位移平臺。
本發明有益效果如下：
本發明具有小型化、集成化的特點，可根據實際需求設定設置波長為210nm或者355nm，可定位半導體器件敏感層和敏感位置，該系統填補了沒有寬禁帶半導體器件輻射效應雷射模擬系統的空白，為大型地面試驗裝置提供了有效的補充試驗手段。
附圖說明
圖1 為本發明的一種實施方式的結構示意圖；
圖2 為本發明的顯微成像與能量監測系統的俯視結構示意圖。
其中，附圖標記為：I短波長脈衝雷射產生與衰減系統，II顯微成像與能量監測系統，III測試與控制系統，1短波長脈衝雷射器，2衰減鏡片模組，3反射鏡，4遮光罩，5 CCD攝像頭，6分光鏡，7指引光源，8能量計探頭，9分光稜鏡，10調焦機構，11物鏡轉盤，12物鏡，13支架，14寬禁帶半導體器件測試樣品，15精密位移平臺，16示波器。
具體實施方式
以下結合附圖對本發明實例進行詳細描述。
參見附圖1，一種寬禁帶半導體器件輻射效應雷射模擬系統，包括短波長脈衝雷射產生與衰減系統I、顯微成像與能量監測系統II、測試與控制系統III。
所述短波長脈衝雷射產生與衰減系I，用於產生短波長脈衝雷射，並對根據實際實驗需求對單脈衝雷射的能量進行衰減。
所述顯微成像與能量監測系統II，用於對寬禁帶半導體器件測試樣品14進行成像，並對作用於寬禁帶半導體器件測試樣品14的脈衝雷射進行能量測量。
所述測試與控制系統III，用於採集並記錄寬禁帶半導體器件測試樣品輻射電離效應的響應電信號。
所述短波長脈衝雷射產生與衰減系I，包括短波長脈衝雷射器1、衰減鏡片模組2、反射鏡3、遮光罩4，短波長脈衝雷射器1、衰減鏡片模組2和反射鏡3安裝於遮光罩4內。所述短波長脈衝雷射器1可以用於產生波長為210nm或355nm的短波長脈衝雷射，短波長脈衝雷射在空間位置上依次經過衰減鏡片模組2、反射鏡3，衰減模組2將短波長脈衝雷射的能量按照實際需求做一定衰減後，經過反射鏡3的反射進入顯微成像與能量監測系統II。
參見附圖2，顯微成像與能量監測系統II用於對寬禁帶半導體器件測試樣品14進行成像，並對作用於寬禁帶半導體器件測試樣品14的短波長脈衝雷射進行能量測量，包括CCD攝像頭5、分光鏡6、指引光源7、能量計探頭8、分光稜鏡9、調焦機構10、物鏡轉盤11、物鏡12、支架13；支架13包括底板、豎直支撐杆和頂部的水平杆，所述CCD攝像頭5、分光鏡6、指引光源7、能量計探頭8、分光稜鏡9安裝於支架13頂部的水平杆上，調焦機構10安裝於水平杆末端的下面，物鏡轉盤11安裝於調焦機構10的下面，物鏡12安裝於物鏡轉盤11的下面。
在空間位置上短波長脈衝雷射經過分光鏡6分成兩束，一束為水平方向，另一束為豎直方向，水平方向的短波長脈衝雷射經過分光稜鏡9分別到達CCD攝像頭5和能量計探頭8，豎直方向的短脈衝雷射經過調焦機構10、物鏡轉盤11、物鏡12後到達寬禁帶半導體器件測試樣品14表面；能量計探頭8採集到的能量根據分光鏡6和分光稜鏡9的分光比例可換算出到達到達寬禁帶半導體器件測試樣品14表面的雷射能量。
所述指引光源7在空間位置上依次經過分光稜鏡9、分光鏡6、調焦機構10、物鏡轉盤11、物鏡12後到達寬禁帶半導體器件測試樣品14表面；指引光源7在分光鏡6上與短波長脈衝雷射合束後，到達寬禁帶半導體器件測試樣品14表面上時，指引光源7與短波長脈衝雷射的光斑中心重合。所述指引光源7採用532nm的連續雷射。
所述測試與控制系統III包括精密位移平臺15和示波器16，寬禁帶半導體器件測試樣品14通過卡具固定在精密位移平臺15上，精密位移平臺15固定於顯微成像與能量監測系統II的支架13的底板上，精密位移平臺15帶動寬禁帶半導體器件測試測試樣品14運動，使得脈衝雷射的光斑局部照射或者全面覆蓋寬禁帶半導體器件測試樣品14上。短波長脈衝雷射照射在寬禁帶半導體器件測試樣品14上後產生的電學響應由示波器16採集並記錄。