半导体器件的激光模拟剂量率效应等效系数计算方法

摘要

本发明公开了一种半导体器件的激光模拟剂量率效应等效系数计算方法，包括以下步骤：S1、确定待测半导体器件的类型，设计测试电路；S2、计算器件的结面积和偏置电压下的空间电荷区宽度，估算光生电流值；S3、确定测试电路中串联的电阻值；S4、获取半导体器件受不同辐射强度的脉冲激光和脉冲γ光辐射产生的光电流响应；S5、获得器件的总电荷收集量；S6、基于最小二乘法计算最优等效系数。本发明通过对光电流响应曲线的积分运算获取总电荷量，并将其作为激光和γ射线的等效依据计算等效系数，能够抑制电磁干扰等引入的噪声，进而有效提高在高剂量下的激光模拟精度；利用了非线性区的数据，增加了模拟中的有效数据点，能够显著拓展等效范围。

权利要求

1.半导体器件的激光模拟剂量率效应等效系数计算方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、参照国标法，确定待测半导体器件的类型，并设计测试电路；

S2、根据待测器件的加工工艺和结构参数，确定器件所用材料和掺杂情况，并计算器件的结面积和偏置电压下的空间电荷区宽度，从而估算其光生电流值ipp(t)：其中，q为单位电荷，A为结面积，g(t)为与时间t相关的过剩载流子产生率，Wt为空间电荷区宽度，τn、τp为少子电子和少子空穴寿命，Dn、Dp为电子和空穴扩散系数；

S3、根据估算的光生电流的最大值确定测试电路中串联的电阻值；

S4、在相同测试电路下，分别获取半导体器件受不同辐射强度的脉冲激光和脉冲γ光辐射产生的光电流响应；

S5、对步骤S4中的响应曲线进行插值、平滑和时域积分，获得每种辐射下器件的总电荷收集量；具体实现方法为：

根据光生电流值与辐射强度的变化关系将光电流响应分为线性情况和饱和情况进行计算：线性情况下光电流值随辐射强度线性变化；当光生电流达到外电路的限制条件时，光生电流出现饱和现象，饱和情况下响应曲线表现为截断，即光生电流值的最大值随辐射强度增加几乎不变；

1)线性情况下，过剩载流子产生率g(t)为常量G，光生电流值I(t)与过剩载流子产生率成正比；由于G正比于辐射强度，因此光生电流值与辐射强度也成正比，根据公式(1)计算光生电流值为：

总电荷量Q1为：

其中，T表示脉宽，t表示时间，Ln和Lp为待测器件中N型和P型的扩散长度，erf为误差函数；

2)当光生电流达到外电路的限制条件时，光生电流曲线表现为截断，此时的总电荷量Q2表示为：

其中，t1和t2分别为饱和区的起始和终止位置，由于t1跟辐照的脉宽非常接近，相比整个响应区间可以忽略，故认为该值恒等于0；因此为了求解总电荷量Q2，需要先求解t2；

电流饱和的光生电流值最大值Imax为：从式(6)中推导得出：

x

其中，productlog(x)是xe在区间[‑1/e，+∞]上的反函数；

S6、根据总电荷收集量和两种辐射源的对应关系，基于最小二乘法计算最优等效系数。

2.根据权利要求1所述的半导体器件的激光模拟剂量率效应等效系数计算方法，其特征在于，所述半导体器件包括二极管、双极结型晶体管或金属氧化物半导体场效应晶体管。

3.根据权利要求2所述的半导体器件的激光模拟剂量率效应等效系数计算方法，其特征在于，所述脉冲激光和脉冲γ光辐射的脉冲宽度均为几纳秒～几十纳秒，二者脉冲宽度的差值不大于二者的最小脉宽。

说明书

半导体器件的激光模拟剂量率效应等效系数计算方法

技术领域

[0001] 本发明属于半导体器件辐射效应研究、评估与测试领域，特别是涉及面向半导体器件瞬时剂量率效应的分析、评估、批量筛选和加固设计领域，具体涉及一种半导体器件的
激光模拟剂量率效应等效系数计算方法。

背景技术

[0002] 瞬时剂量率效应也称作瞬时电离辐射效应，是指瞬时高能光子如脉冲γ射线、X射线等作用于半导体器件电离出电子‑空穴对，并在外电场作用下产生光电流，引起电路扰
动、闩锁，严重时造成器件烧毁的现象。目前剂量率效应实验测试评估主要依赖于闪光X射
线机和直线加速度器等装置，然而此类装置操作和调试过程复杂、运行和维护费用高、试验
间隔长，对测试器件有损伤并且需要对操作人等进行严格的屏蔽。特定参数的激光可以在
半导体器件中产生与γ射线等瞬时电离辐射因素相似的光电流响应，具有良好的重复性和
操作性，运行成本低，试验周期短，能够精确地研究器件辐射下器件的时间和空间响应，无
需严格苛刻的电磁屏蔽和辐射防护。因此，无论是对于半导体器件的失效分析、批量筛选，
还是地面辐射试验前期的电路调试，激光模拟手段均可作为地面装置的有力补充，被美国
圣地亚国家实验室(Sandia National Laboratory)、波音公司等作为重要的器件可靠性研
究手段。

[0003] 为了定量分析和对比脉冲激光辐射与实际瞬时电离辐射(以脉冲γ射线为例)对半导体器件产生效果的数值等效性，人们提出了等效系数的概念，该系数直接决定着激光
模拟的精度和有效范围。目前，基于实验方法计算激光模拟瞬时剂量率效应的等效系数多
从器件的宏观层面出发，即直接以二者产生的光电流峰值作为依据，定义激光和γ射线产
生相同光电流峰值响应时，剂量率与激光功率的比值为等效系数。该计算方法简单，但存在
如下问题：1)仅考虑了光电流响应峰值大小而未考虑波形特征，比如：响应时间、脉冲宽度、
上升沿和下降沿等。这些波形特征是研究辐射条件下载流子迁移率、寿命、电场分布和空间
电荷形成动力学的关键信息，对激光辐射模拟剂量率效应的准确性有直接影响；2)试验过
程中，测试电路的偏置和电阻会对响应电流的峰值产生限制作用。当器件暴露在长脉冲或
高强度辐射环境下时，器件的瞬时电流响应容易达到饱和。此时辐射强度增加，测试到的光
电流峰值不再变化，进而限制了激光模拟范围；3)通常闪光X射线装置(FXR)或电子直线加
速度装置(LINAC)均在超高压环境下工作，不仅会对待测器件产生电离辐射损伤，还会产生
电磁干扰(Electro Magnetic Interference，EMI)，影响辐射感生电流的峰值，进而影响激
光模拟等效关系的建立(激光辐射不产生EMI效应)。

[0004] 因此，针对常规光电流峰值等效系数计算方法存在的限制，如何发展新的方法从电流响应中提取更多的有用信息以提高激光模拟的精度，拓展激光模拟的等效范围以及抑
制γ射线辐射产生的电磁干扰对激光模拟的影响，具有非常重要的实际意义。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种将光电流峰值和波形同时考虑在内，通过对光电流响应曲线的积分运算获取总电荷量，并将其作为激光和γ射线的等效
依据的半导体器件的激光模拟剂量率效应等效系数计算方法。该方法能够抑制电磁干扰等
引入的噪声，有效提高在高剂量下的激光模拟精度，同时还因利用了非线性区的数据，能够
显著地拓展等效范围。

[0006] 本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：半导体器件的激光模拟剂量率效应等效系数计算方法，包括以下步骤：

[0007] S1、参照国标法，确定待测半导体器件的类型，并设计测试电路；

[0008] S2、根据待测器件的加工工艺和结构参数，确定器件所用材料和掺杂情况，并计算器件的结面积和偏置电压下的空间电荷区宽度，从而估算其光生电流值ipp(t)：

[0009]

[0010] 其中，q为单位电荷，A为结面积，g(t)为与时间t相关的过剩载流子产生率，Wt为空间电荷区宽度，τn、τp为少子电子和少子空穴寿命，Dn、Dp为电子和空穴扩散系数；

[0011] S3、根据估算的光生电流的最大值确定测试电路中串联的电阻值；

[0012] S4、在相同测试电路下，分别获取半导体器件受不同辐射强度的脉冲激光和脉冲γ光辐射产生的光电流响应；

[0013] S5、对步骤S4中的响应曲线进行插值、平滑和时域积分，获得每种辐射下器件的总电荷收集量；

[0014] S6、根据总电荷收集量和两种辐射源的对应关系，基于最小二乘法计算最优等效系数。

[0015] 进一步地，所述步骤S5具体实现方法为：

[0016] 根据光生电流值与辐射强度的变化关系将光电流响应分为线性情况和饱和情况进行计算：线性情况下光电流值随辐射强度线性变化；当光生电流达到外电路的限制条件
时，光生电流出现饱和现象，饱和情况下响应曲线表现为截断，即光生电流值的最大值随辐
射强度增加几乎不变；

[0017] 1)线性情况下，过剩载流子产生率g(t)为常量G，光生电流值I(t)与过剩载流子产生率成正比；由于G正比于辐射强度，因此光生电流值与辐射强度也成正比，根据公式(1)计
算光生电流值为：

[0018]

[0019] 总电荷量Q1为：

[0020]

[0021]

[0022] 其中，T表示脉宽，t表示时间，Ln和Lp为待测器件中N型和P型的扩散长度，erf为误差函数；

[0023] 2)当光生电流达到外电路的限制条件时，光生电流曲线表现为截断，此时的总电荷量Q2表示为：

[0024]

[0025] 其中，t1和t2分别为饱和区的起始和终止位置，由于t1跟辐照的脉宽非常接近，相比整个响应区间可以忽略，故认为该值恒等于0；因此为了求解总电荷量Q2，需要先求解t2；

[0026] 电流饱和的光生电流值最大值Imax为：

[0027]

[0028] 从式(6)中推导得出：

[0029]

[0030] 其中，productlog(x)是xex在区间[‑1/e，+∞]上的反函数。

[0031] 进一步地，所述半导体器件包括二极管、双极结型晶体管或金属氧化物半导体场效应晶体管。

[0032] 进一步地，所述脉冲激光和脉冲γ光辐射的脉冲宽度均为几纳秒～几十纳秒，二者脉冲宽度的差值不大于二者的最小脉宽。

[0033] 本发明的有益效果是：本发明提出的计算方法通过对光电流响应曲线的积分运算获取总电荷量，并将其作为激光和γ射线的等效依据计算等效系数。该方法一方面将响应
中的光电流峰值和波形同时考虑在内，能够抑制电磁干扰等引入的噪声，进而有效提高在
高剂量下的激光模拟精度；另一方面利用了非线性区的数据，增加了模拟中的有效数据点，
能够显著地拓展等效范围。

附图说明

[0034] 图1为本发明的计算方法的流程图；

[0035] 图2为本发明的本发明的总电荷量等效方法与传统光电流峰值等效系数计算方法的对比图；

[0036] 图3为本发明所用实施例的器件版图；

[0037] 图4为本发明所用实施例的测试电路；

[0038] 图5为本发明所用实施例，在偏置电压10V下，商用BJT器件(2N3700)在不同辐射强度及不同辐射源下的响应曲线；

[0039] 图6为本发明所用实施例，两种商用BJT器件(2N3700和2N1711A)采用总电荷量等效方法与传统光电流峰值等效方法的对比图；

[0040] 图7为本发明所用实施例，两种商用BJT器件(2N3700和2N1711A)分别采取总电荷量等效方法与传统光电流峰值等效方法，获得的数据均方误差与剂量率变化关系。

具体实施方式

[0041] 下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

[0042] 如图1所示，本发明的一种半导体器件的激光模拟剂量率效应等效系数计算方法，包括以下步骤：

[0043] S1、参照国标法，确定待测半导体器件的类型，并设计测试电路；

[0044] S2、根据待测器件的加工工艺和结构参数，确定器件所用材料和掺杂情况，并计算器件的结面积和偏置电压下的空间电荷区宽度，从而估算其光生电流值ipp(t)：

[0045]

[0046] 其中，q为单位电荷，A为结面积，g(t)为与时间t相关的过剩载流子产生率，Wt为空间电荷区宽度，τn、τp为少子电子和少子空穴寿命，Dn、Dp为电子和空穴扩散系数；

[0047] S3、根据估算的光生电流的最大值确定测试电路中串联的电阻值；测试电路的偏置电压和串联电阻一方面会对响应电流的最大值产生限制作用；另一方面，在进行LINAC辐
射实验时，串联电阻越大抗噪性能越好。当电阻过小时，电流响应极易被噪声信号淹没，示
波器观测到的信号信噪比很低；因此，需要根据光生电流最大值确定测试电路中串联的电
阻值，减小串联电阻对测试结果产生的影响。

[0048] S4、在相同测试电路下，分别获取半导体器件受不同辐射强度的脉冲激光和脉冲γ光辐射产生的光电流响应；

[0049] S5、对步骤S4中的响应曲线进行插值、平滑和时域积分，获得每种辐射下器件的总电荷收集量；

[0050] 图2为总电荷量等效方法与传统光电流响应峰值等效法的对比图，从图中可以看出：在低辐射强度下，总电荷收集量和峰值电流与辐射强度均成线性关系；随着辐射强度的
增加，峰值电流出现饱和，而总电荷收集量先出现一段非线性增加区域，而后才进入饱和。
由此，采用总电荷收集量进行等效系数的计算，其有效数据点多于采用传统光电流峰值等
效系数计算方法。

[0051] 本步骤具体实现方法为：

[0052] 根据光电流峰值与辐射强度的变化关系将光电流响应分为线性情况和饱和情况进行计算，如图2所示。线性情况下光电流峰值随辐射强度线性变化；饱和情况下响应曲线
表现为截断，即光电流峰值不随辐射强度变化；

[0053] 根据光生电流值与辐射强度的变化关系将光电流响应分为线性情况和饱和情况进行计算：线性情况下光电流值随辐射强度线性变化；当光生电流达到外电路的限制条件
时，光生电流出现饱和现象，饱和情况下响应曲线表现为截断，即光生电流值的最大值随辐
射强度增加几乎不变；

[0054] 1)线性情况下，过剩载流子产生率g(t)为常量G，光生电流值I(t)与过剩载流子产生率成正比；由于G正比于辐射强度，因此光生电流值与辐射强度也成正比，根据公式(1)计
算光生电流值为：

[0055]

[0056] 总电荷量Q1为：

[0057]

[0058]

[0059] 其中，T表示脉宽，t表示时间，Ln和Lp为待测器件中N型和P型的扩散长度，erf为误差函数；

[0060] 2)当光生电流达到外电路的限制条件时，光生电流曲线表现为截断，此时的总电荷量Q2表示为：

[0061]

[0062] 其中，t1和t2分别为饱和区的起始和终止位置，由于t1跟辐照的脉宽非常接近，相比整个响应区间可以忽略，故认为该值恒等于0；因此为了求解总电荷量Q2，需要先求解t2；

[0063] 电流饱和的光生电流值最大值Imax为：

[0064]

[0065] 从式(6)中推导得出：

[0066]

[0067] 其中，productlog(x)是xex在区间[‑1/e，+∞]上的反函数。

[0068] S6、根据总电荷收集量和两种辐射源的对应关系，基于最小二乘法计算最优等效系数。

[0069] 进一步地，所述脉冲激光和脉冲γ光辐射的脉冲宽度均为几纳秒～几十纳秒，二者脉冲宽度的差值不大于二者的最小脉宽。一般采用15‑20纳秒的脉冲γ光辐射，10纳秒的
脉冲激光。

[0070] 图3为本实施例使用的ST公司两个商用BJT器件的版图，两个器件分别在脉冲激光和脉冲γ射线下进行实验。图4为测试BJT bc结初始光电流的测试电路，本例中偏置电压选
取为10V和20V，串联电阻为2K。

[0071] 图5为偏置电压10V下，激光和脉冲γ射线照射到待测器件2N3700产生的响应曲线。图中，纵坐标为电压值(除以串联电阻即可得出光电流大小)，横坐标为时间。对应四条
4 2 5 2
曲线自上而下分别为激光功率密度为2.51×10W/cm ，3.23×10W/cm以及γ射线剂量率
8 9
为5.2×10rad(Si)/s和7.2×10rad(Si)/s。可以看出激光模拟与γ射线产生的光电响应
波形非常相似。无论脉冲激光辐射还是脉冲γ射线，当响应曲线达到饱和时，其电压降均不
再继续增加，而是保持电压为0V在时域上发生展宽，之后逐渐恢复到平衡位置，整个过程发
生在数个微秒时间内。另外，对于LINAC辐射情况，当电压刚降到0V左右时会有一个尖峰，这
主要是由于测试环境中存在很强的电离辐射，对测试结果产生了电磁干扰。为了尽量避免
或减弱LINAC辐射源(脉冲γ射线)中的电磁干扰，一方面可在实验测试阶段将测试电路置
于铝制屏蔽盒中以减少外部的电磁干扰；另一方面可以适当增加偏置电压，以提高信噪比。
在实施例中综合考虑了以上两项，并将偏置电压增加到20V，仍然采用图4的实验电路测试
器件的初始光生电流，测试器件选择2N3700和2N1711A。

[0072] 图6(a)为采用峰值光生电流等效法计算出的2N3700和2N1711两种器件的等效系数，(b)为总电荷量等效法计算出的2N3700和2N1711两种器件的等效系数。图中，横坐标为
激光能量//γ射线剂量率；(a)纵坐标为光生电流幅值；(b)纵坐标为总电荷量。采用电流峰
7 ‑1
值等效法计算出的等效剂量率系数：2N1711A为1.23×10 rad(Si)·s /μJ；2N3700为1.68
7 ‑1
×10 rad(Si)·s /μJ。采用总电荷收集量等效法，先对响应曲线进行去噪与平滑处理，积
分计算出响应曲线所对应的总电荷收集量。根据脉冲激光功率密度及剂量率与总电荷收集
量之间的变化关系，通过最小二乘法拟合，计算出等效剂量率系数：2N1711A为1.12×
7 ‑1 7 ‑1
10rad(Si)·s /μJ；2N3700为0.97×10 rad(Si)·s /μJ。两种方法算出的等效剂量率系
数较为接近，均在一个数量级。但从图6可以看出，对于峰值光生电流等效法而言，有效区即
为线性区，在该区域内的LINAC实验数据很少却直接决定着最终的等效剂量率系数，而饱和
区内的测试点虽然较多但对于模拟精度的提高作用甚微。实际测试中，LINAC测试费用昂贵
且实验周期较长，对同一个器件测试响应曲线往往需要测试多次以确定有效范围，同时在
该有效范围对应的剂量率内获取尽可能多的数据点。但在LINAC实验中，一般通过调节待测
器件与靶心的距离来控制器件接受的剂量率高低，且每一发次靶心处的剂量率不尽相同。
因此，通过在线性区获取足够的数据来提高模拟精度的方法成本太高，且不确定因素太多。

[0073] 为定量对比两种等效系数计算方法得到的等效系数对激光模拟精度的影响，采用均方误差(mean‑square error,MSE)对2N3700和2N1711A两种器件在激光和γ射线辐射下
光电流响应曲线的差异程度进行实验评估，两种等效系数计算方法获得的均方误差与剂量
率变化关系的影响如图7所示，(a)为2N3700器件的结果图，(b)为2N1711A器件的结果图。图
中，横坐标为剂量率，纵坐标为均方误差，斜线网格为光电流峰值等效法获得的结果，交叉
网格为本发明提出的总电荷量等效法获得的结果。图7中的竖线表示光电流响应达到饱和
时对应的剂量率。可以看出总电荷量等效法对应的MSE几乎均比光电流峰值等效法对应的
MSE小。特别是当剂量率超过光电流峰值饱和时的值时(即剂量率超过红线)，光电流峰值等
效法对应的MSE均有明显增加，而总电荷量等效法得到的MSE仅有小幅变化。实验结果验证
相较于光电流峰值等效法，总电荷量等效法可以提供更宽的等效剂量率范围，并且在等效
范围内可以保持良好的模拟精度。

[0074] 综上所述，本发明针对瞬时剂量率效应的激光模拟技术提出一种新的等效系数计算方法，通过对辐射感生电流响应曲线的积分运算获得收集区的总电荷量，并以此作为激
光辐射和瞬时γ辐射的等效依据。该方法由于综合了线性区和饱和区，其有效范围更广，可
选的测试点更多，模拟精度更高，并可显著降低实验成本。最后所应说明的是，以上实施案
例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。本发明所述半导体器件包括二极管、双极结型
晶体管或金属氧化物半导体场效应晶体管，所有涉及激光模拟剂量率效应中分立器件电流
响应等效的器件，除实施案例中提到的BJT外，PN结、PiN二极管、MOS器件以及内部包含多个
PN结的分立器件均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。尽管参照实例对本发明进行了详
细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都
不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

[0075] 本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的
普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各
种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。