p-n結(jié)脈沖激光誘發(fā)電荷收集試驗(yàn)研究

薛玉雄 楊生勝 郭 剛 把得東 安 恒田 愷 曹 洲 史淑廷 沈東軍

1（蘭州空間技術(shù)物理研究所真空低溫技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 蘭州 730000）

2（中國(guó)原子能科學(xué)研究院核物理所 北京 102413）

單粒子效應(yīng)是誘發(fā)航天器故障和異常的重要因素之一，一旦發(fā)生就可能會(huì)對(duì)航天器造成致命的影響[1–4]。隨著航天技術(shù)的發(fā)展，航天器系統(tǒng)功能和結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，功能強(qiáng)大的超深亞微米、納米CMOS/SOI、SOC、SIP、光電器件等新型器件大量應(yīng)用于電子設(shè)備中，這些器件對(duì)空間單粒子效應(yīng)比較敏感，所以對(duì)電子元器件單粒子效應(yīng)加固設(shè)計(jì)提出更高需求，并加強(qiáng)研究單粒子效應(yīng)。單粒子效應(yīng)研究可采用多種模擬手段[5]，如加速器、天然放射源以及脈沖激光束等。本工作研究脈沖激光誘發(fā)半導(dǎo)體p-n結(jié)的瞬態(tài)脈沖電流和電荷收集特性。

1 測(cè)試方法

激光與半導(dǎo)體材料發(fā)生光電效應(yīng)作用，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)(EHPs)，引起的瞬態(tài)電流脈沖持續(xù)時(shí)間僅幾十或數(shù)百 ps，用帶寬頻率達(dá)數(shù) GHz的高頻示波器便可捕獲到電荷脈沖信號(hào)，瞬態(tài)電荷收集由測(cè)量瞬態(tài)電壓波形實(shí)現(xiàn)。

1.1 測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)樣品

該瞬態(tài)電流脈沖測(cè)試系統(tǒng)主要包括測(cè)試樣品電路板、DUT移動(dòng)平臺(tái)、p-n結(jié)加偏置電壓接口、放大器、數(shù)據(jù)采集的示波器、計(jì)算機(jī)、同軸傳輸線、通信線纜及測(cè)控軟件(Labview軟件實(shí)時(shí)采集)等。試樣為 n+p型的 p-n結(jié)，樣品的高摻雜區(qū)濃度為1×1020/cm3，well區(qū)為 1×1016/cm3，襯底為 1.8×1015/cm3，n+區(qū)和 Al電極厚度均為 0.5 μm；p-well厚度為4.2 μm(圖1a)。通過(guò)50倍顯微鏡下觀察試驗(yàn)樣品的表面結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示。

圖1 試驗(yàn)樣品n+p結(jié)的剖面示意圖和結(jié)構(gòu)圖(×50)Fig.1 Cross-sectional view of silicon bulk n+p junction diode(a) and its schematics (×50).

將p-n結(jié)樣品附在一塊集成電路芯片內(nèi)，集成電路芯片安裝于電路板上，并與信號(hào)傳輸線連接。為便于選擇適合試驗(yàn)樣品的反向工作電壓，在真空條件下測(cè)量試樣的反向工作特性，整個(gè)過(guò)程控制在反偏電流<0.5 μA，其反向工作特性見(jiàn)圖2。反向工作電壓為10 V時(shí)，樣品的反偏電流增幅明顯增大；>12 V，反偏電流增幅度發(fā)生突變，故反向工作電壓不宜>12 V。

圖2 試驗(yàn)測(cè)量的樣品反向V-I曲線Fig.2 The transient current as a function of bias voltage as measured on silicon bulk samples.

1.2 測(cè)試系統(tǒng)的可靠性驗(yàn)證

試驗(yàn)前，利用241Am α源輻照Si(Au)探測(cè)器的方法對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行電荷收集試驗(yàn)(由于 Si(Au)探測(cè)器是p-n結(jié)結(jié)構(gòu)，外加偏壓可以工作在“全耗盡”狀態(tài)，一定能量的離子輻照Si(Au)探測(cè)器中電離產(chǎn)生的電荷在理論上能夠完全被收集)，從而驗(yàn)證測(cè)試系統(tǒng)的可靠性。實(shí)驗(yàn)測(cè)試溫度為300 K，靶室的真空度為5.7×10–3Pa，用建立的系統(tǒng)測(cè)試241Am α源輻照Si(Au)探測(cè)器產(chǎn)生的總電荷數(shù)和脈沖波形，進(jìn)行重復(fù)測(cè)量求平均，與理論值Q=241.7 fC對(duì)比，同時(shí)驗(yàn)證在瞬態(tài)電流脈沖測(cè)試中信號(hào)的反射、噪聲及衰減等干擾因素對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，傳輸線長(zhǎng)度為2.2和4.0 m下的收集電荷分別為228.8和227.2 fC(標(biāo)準(zhǔn)差均<1%), 與理論值之比分別為 94.7%和94.0%?？梢?jiàn)該測(cè)試系統(tǒng)與理論值保持一致，對(duì)頻率為百 MHz量級(jí)的高頻信號(hào)無(wú)明顯反射，在一定的傳輸線長(zhǎng)度內(nèi)對(duì)測(cè)量的高頻信號(hào)損失非常低。

2 脈沖激光誘發(fā)的電荷收集

用脈沖激光模擬單粒子效應(yīng)試驗(yàn)系統(tǒng)，波形采集使用TDS7704B高頻示波器。為消除噪聲影響，采用高精密的凈化交流穩(wěn)壓電源。試驗(yàn)以p-n結(jié)敏感區(qū)外某點(diǎn)為起點(diǎn)，用移動(dòng) DUT平臺(tái)將脈沖激光掃描輻照測(cè)量p+n結(jié)敏感區(qū)外、邊緣、中心的收集電荷，掃描范圍為110 μm×50 μm。改變脈沖激光能量、輻照位置及工作反向偏壓，測(cè)得的典型瞬態(tài)脈沖波形見(jiàn)圖 3。瞬態(tài)脈沖幅值明顯隨脈沖激光能量增大，瞬態(tài)脈沖波形明顯地向坐標(biāo)的負(fù)方向移動(dòng)，說(shuō)明能量越大越易誘發(fā)瞬態(tài)現(xiàn)象。

將圖3數(shù)據(jù)積分可得到總收集電荷(圖4)，收集電荷明顯隨脈沖激光能量增大。激光在半導(dǎo)體材料中產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)密度與沉積的能量成正比關(guān)系，即n=λE(1–R)e–αz/(hc), 其中α和R分別是吸收系數(shù)和反射系數(shù)，E和λ為激光入射能量和波長(zhǎng)，Z為激光在半導(dǎo)體材料中穿透深度。圖4數(shù)據(jù)擬合得收集電荷與脈沖激光能量的函數(shù)為Q= 1.2579E4/3，故在相同輻照條件下，激光脈沖照在二極管結(jié)上收集的電荷數(shù)量取決于入射能量的4/3次方，這主要是由于電荷收集中漏斗效應(yīng)引起的，而漏斗長(zhǎng)度最終決定額外收集電荷的數(shù)量。

圖3 在相同偏壓條件下能量對(duì)瞬態(tài)脈沖幅值Fig.3 Pulse height spectra at different laser energies under the same bias voltage.

偏壓為8 V，用與等效重離子LET值相當(dāng)?shù)拿}沖激光輻照下，p+n結(jié)內(nèi)不同區(qū)域收集電荷效果有一定的差異，結(jié)果如圖5所示。遠(yuǎn)離敏感區(qū)處的收集電荷明顯減小，在敏感中心區(qū)域的收集電荷高于敏感區(qū)外和邊緣，這是由于敏感區(qū)外的漂移收集作用明顯減弱造成。

圖4 收集電荷隨脈沖激光能量變化關(guān)系Fig.4 Relation between collected charge and pulsed laser energy for the PN diodee.

另外發(fā)現(xiàn)，用相同能量的脈沖激光照射樣品的同一位置，偏壓為5、6、7、8 V時(shí)，收集電荷分別為 146.52–160.12、173.56–197.30、201.65–214.82和214.39–313.70 pC，當(dāng)偏壓為10 V時(shí)，二極管被擊穿。p-n結(jié)的耗盡層厚度與偏壓的關(guān)系為：

式中，V為外加偏壓，Vi為p-n結(jié)內(nèi)建電勢(shì)差，Nd為摻雜濃度，q為電子電荷，K為波爾茲曼常數(shù)，εs為Si的相對(duì)介電常數(shù)，εr為Si的真空介電常數(shù)，T為絕對(duì)溫度。故當(dāng)偏壓增大時(shí)，p-n結(jié)的耗盡層厚度Zd增加，耗盡層厚度的增加導(dǎo)致收集電荷增多。

圖5 收集電荷與樣品內(nèi)結(jié)構(gòu)的相關(guān)性圖Fig.5 Collected charge versus laser beam position.

3 重離子與脈沖激光試驗(yàn)結(jié)果比較

將脈沖激光試驗(yàn)數(shù)據(jù)與在HI-13串列加速器重離子微束試驗(yàn)數(shù)據(jù)[7]進(jìn)行比對(duì)(偏壓為8 V)，其結(jié)果如表1所示。

表1 脈沖激光和重離子輻照試驗(yàn)結(jié)果比對(duì)Table 1 Comparison of charge collection transients for pulsed laser and heavy ion.

由表 1，激光誘發(fā)的瞬態(tài)脈沖幅值明顯遠(yuǎn)低于重離子瞬態(tài)脈沖幅值，這是因收集電荷與徑跡結(jié)構(gòu)的影響造成的[8]。離子徑跡中，徑向電荷濃度在中心強(qiáng)烈峰化，并隨半徑急劇衰減，幾十 MeV能量離子徑跡寬度約0.1 μm；而聚焦后的激光光斑可達(dá)1–2 μm，其徑跡寬度比低能離子大得多，與高能重離子相當(dāng)，且在徑向呈Gauss分布。具有相同LET值的激光脈沖和重離子相比，徑跡寬大、中心電荷濃度低。

另外，激光誘發(fā)的瞬態(tài)脈沖上升沿時(shí)間大于重離子上升沿時(shí)間，即重離子的電荷收集波形陡，激光的電荷收集波形相對(duì)較扁，表明重離子電荷收集時(shí)間短、以快分量為主，而脈沖激光電荷收集時(shí)間較長(zhǎng)、快分量有較大貢獻(xiàn)，這與文獻(xiàn)[9,10]的相關(guān)理論完全一致。重離子或激光在半導(dǎo)體材料中產(chǎn)生電荷徑跡后發(fā)生擴(kuò)散和復(fù)合過(guò)程，如漏斗效應(yīng)和俄歇復(fù)合。在高載流子密度下，俄歇復(fù)合是影響電子-空穴壽命的主要因素，由于離子的電荷俄歇復(fù)合時(shí)間遠(yuǎn)小于激光復(fù)合時(shí)間，因此通過(guò)俄歇復(fù)合，離子徑跡中損失的電荷要比激光電荷徑跡中損失的電荷多(在半導(dǎo)體材料收集到一個(gè)單位的電子電荷數(shù)相當(dāng)于分離了一個(gè)電子-空穴對(duì))。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)脈沖激光模擬試驗(yàn)研究，獲得了p-n結(jié)的收集電荷、收集電荷與入射位置、偏壓、能量的相關(guān)性。研究結(jié)果表明，敏感區(qū)內(nèi)的收集電荷數(shù)相差不大，但隨逐漸遠(yuǎn)離敏感區(qū)，收集電荷明顯減小，在試驗(yàn)相同條件下，瞬態(tài)脈沖信號(hào)幅值和收集到的總電荷隨著脈沖激光能量的增大而增多，收集電荷與激光能量呈指數(shù)關(guān)系；收集電荷隨偏壓而增大。通過(guò)激光和重離子試驗(yàn)數(shù)據(jù)比對(duì)結(jié)果表明，兩者電荷收集有一定的相似性，但激光誘發(fā)的瞬態(tài)脈沖幅值明顯遠(yuǎn)低于重離子瞬態(tài)脈沖幅值，且電荷收集時(shí)間長(zhǎng)。

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