一种有源加速半导体器件辐照失效的方法

技术领域

本发明涉及一种有源加速半导体器件辐照失效的方法。

背景技术

电力电子器件是航天器的核心部件，然而外太空的辐照对电力电子器件损伤极强，电力电子器件的抗辐照性能是航天器可靠稳定运行的关键因素之一，高效、准确的抗辐照实验对器件的抗辐照性能的改善至关重要。电力电子器件存在低剂量率辐射增强效应，同等辐照剂量下，外太空的低剂量率、长时间辐照对器件造成的损伤高于地面人工辐照装置高剂量率、短时间辐照产生的损伤；为此，需要设计一种和低剂量率、长时间辐照等效的高剂量率、短时间辐照加速失效实验方法。

《原子核物理评论》2019，vol 36，No 4“双极器件ELDRS效应研究进展”涉及一种变温加速辐照失效的实验研究。辐照腔内安装加热装置，通过加热装置加热器件，提升器件中辐照质子的扩散运动，加速陷阱电荷的聚集，进而加速器件的老化；实验可以将11个月的低剂量率辐照等效为11个小时的高剂量率辐照，但这种方法和实际低剂量率辐照效果有一定的差距；此外，考虑到辐照实验费用，11个小时的辐照时间显长。

发明内容

本发明的目的是提出一种和低剂量率、长时间辐照等效的高剂量率、短时间辐照加速失效实验方法，以满足高效、准确的抗辐照实验。

如图1所示，辐照入射半导体器件产生电子和空穴，电子移动速度远快于空穴，很快被清除出氧化物，氧化层中的空穴一部分发生重组；一部分逃避重组向衬底扩散，途中释放质子(H

基于以上辐照导致器件失效的机理分析，以及为克服现有技术的缺点，本发明结合辐照试验的基本要求，提出一种加速辐照条件下半导体器件失效的方法，包括如下步骤：：

步骤1、首先将半导体器件置于辐照腔内，所述的辐照腔外部连接有电场或磁场发生装置，所述电场或磁场发生装置通过开关连接到外接电源；

步骤2、打开所述开关，启动电场或磁场发生装置，使得所述电场发生装置产生与半导体器件界面垂直的电场；或者，使得所述磁场发生装置产生平行于半导体界面的磁场，并且在半导体器件的部分引脚施加电压；

步骤3、然后启动辐照装置，辐照高能粒子入射所述的半导体器件，产生多个的空穴-电子对；半导体器件氧化层中的空穴一部分向衬底扩散，途中释放质子，质子被绝缘层-半导体界面含氢缺陷捕获形成带正电的界面陷阱；捕获空穴产生的带正电陷阱电荷快速在质子之前抵达界面附近，这些正电荷在界面处形成静电屏蔽；

步骤4、垂直于界面的电场或平行于界面的磁场削弱带正电陷阱电荷形成的静电屏蔽，进而加速质子向界面的扩散运动，提高界面陷阱电荷密度，加速器件失效。

进一步的，所述的半导体器件为单极性或双极性半导体器件。

进一步的，所述的单极性半导体器件为mosfet场效应晶体管，所述双极性半导体器件为PNP或NPN型晶体管。

进一步的，所述的半导体界面为mosfet或晶体管的SiO2/Si界面。

进一步的，所述在半导体器件的部分引脚施加电压具体包括：

在mosfet器件的源极、漏极之间及源极、栅极之间施加电压，漏源极之间产生电流。

进一步的，所述在半导体器件的部分引脚施加电压具体包括：

在双极性半导体器件的发射极、基极之间和发射极、集电极之间施加电压，集电极和发射极之间产生电流。

本发明的原理为：

1、对置于密闭辐照腔内的半导体器件施加辐照产生大量空穴-电子对，同时施加和空穴及质子扩散运动方向相同的电场，电场加速质子向界面的运动，提高了界面陷阱电荷密度，进而加速器件失效；

2、对半导体器件施加辐照的同时通入电流；然后施加平行于半导体界面(垂直纸面向外/向里)的强磁场，强磁场使得电子向绝缘层-半导体界面聚集，抵消高辐照剂量率带来的正电荷静电屏蔽效应，加速质子向界面的运动，提高界面陷阱电荷密度，进而加速器件失效。

本发明提出的有源加速半导体器件辐照失效方法与现有技术相比具有如下优点：

(1)变温法存在缓慢的传热过程，与之相比电场或者磁场可以瞬间施加于器件，再者电压或者磁场灵活可调，可定向加速粒子运动，其效率高于热致扩散运动，使器件陷阱电荷聚集迅速，器件老化速度明显提升，缩短实验周期，节约实验费用；

(2)辐照腔内无需放置加热装置，设备整体结构简单紧凑。

附图说明

图1、为外加电场加速单极性半导体器件辐照失效机理示意图；

图2、为外加电场加速双极性半导体器件辐照失效机理示意图；

图3、为外加磁场加速单极性半导体器件辐照失效机理示意图；

图4、为外加磁场加速双极性半导体器件辐照失效机理示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

根据本发明的实施例1，首先将如图1所示单极性半导体器件mosfet置于辐照腔内，开启和辐照腔连接的电场产生装置的外接电源产生与mosfet SiO

外接的电场产生装置产生具有垂直于SiO

外接电源用于给电场产生装置供电，产生垂直于SiO

所述的电场产生装置可以是双基板，在两个基板上分别加正电压和负电压；

根据本发明的实施例2，首先将如图2所示双极性半导体器件PNP型晶体管置于辐照腔内，开启和辐照腔连接的电场产生装置的外接电源产生与晶体管SiO2/Si界面垂直的电场；然后启动辐照装置，高能粒子入射半导体器件产生大量的空穴-电子对，垂直于SiO

根据本发明的实施例3，首先将如图3所示的单极性半导体器件mosfet置于辐照腔内，对器件的源极、漏极之间及源极、栅极之间施加电压，漏源极之间产生电流；然后对器件施加平行于半导体界面(垂直纸面向外)的强磁场，同时启动辐照装置；漏源极电流电子在强磁场的作用下向SiO

根据本发明的实施例4，首先将如图4所示的双极性半导体器件PNP型晶体管置于辐照腔内，对器件的发射极、基极之间和发射极、集电极之间施加电压，集电极和发射极之间产生电流；然后对器件施加平行于半导体界面(垂直纸面向里)的强磁场，同时启动辐照装置；集电极和发射极之间的电流电子在强磁场的作用下向SiO

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。