p-n结脉冲激光诱发电荷收集试验研究

薛玉雄 杨生胜 郭 刚 把得东 安 恒田 恺 曹 洲 史淑廷 沈东军

1（兰州空间技术物理研究所真空低温技术与物理重点实验室 兰州 730000）

2（中国原子能科学研究院核物理所 北京 102413）

单粒子效应是诱发航天器故障和异常的重要因素之一，一旦发生就可能会对航天器造成致命的影响[1–4]。随着航天技术的发展，航天器系统功能和结构日益复杂，功能强大的超深亚微米、纳米CMOS/SOI、SOC、SIP、光电器件等新型器件大量应用于电子设备中，这些器件对空间单粒子效应比较敏感，所以对电子元器件单粒子效应加固设计提出更高需求，并加强研究单粒子效应。单粒子效应研究可采用多种模拟手段[5]，如加速器、天然放射源以及脉冲激光束等。本工作研究脉冲激光诱发半导体p-n结的瞬态脉冲电流和电荷收集特性。

1 测试方法

激光与半导体材料发生光电效应作用，产生电子-空穴对(EHPs)，引起的瞬态电流脉冲持续时间仅几十或数百 ps，用带宽频率达数 GHz的高频示波器便可捕获到电荷脉冲信号，瞬态电荷收集由测量瞬态电压波形实现。

1.1 测试系统的设计与试验样品

该瞬态电流脉冲测试系统主要包括测试样品电路板、DUT移动平台、p-n结加偏置电压接口、放大器、数据采集的示波器、计算机、同轴传输线、通信线缆及测控软件(Labview软件实时采集)等。试样为 n+p型的 p-n结，样品的高掺杂区浓度为1×1020/cm3，well区为 1×1016/cm3，衬底为 1.8×1015/cm3，n+区和 Al电极厚度均为 0.5 μm；p-well厚度为4.2 μm(图1a)。通过50倍显微镜下观察试验样品的表面结构如图1(b)所示。

图1 试验样品n+p结的剖面示意图和结构图(×50)Fig.1 Cross-sectional view of silicon bulk n+p junction diode(a) and its schematics (×50).

将p-n结样品附在一块集成电路芯片内，集成电路芯片安装于电路板上，并与信号传输线连接。为便于选择适合试验样品的反向工作电压，在真空条件下测量试样的反向工作特性，整个过程控制在反偏电流<0.5 µA，其反向工作特性见图2。反向工作电压为10 V时，样品的反偏电流增幅明显增大；>12 V，反偏电流增幅度发生突变，故反向工作电压不宜>12 V。

图2 试验测量的样品反向V-I曲线Fig.2 The transient current as a function of bias voltage as measured on silicon bulk samples.

1.2 测试系统的可靠性验证

试验前，利用241Am α源辐照Si(Au)探测器的方法对测试系统进行电荷收集试验(由于 Si(Au)探测器是p-n结结构，外加偏压可以工作在“全耗尽”状态，一定能量的离子辐照Si(Au)探测器中电离产生的电荷在理论上能够完全被收集)，从而验证测试系统的可靠性。实验测试温度为300 K，靶室的真空度为5.7×10–3Pa，用建立的系统测试241Am α源辐照Si(Au)探测器产生的总电荷数和脉冲波形，进行重复测量求平均，与理论值Q=241.7 fC对比，同时验证在瞬态电流脉冲测试中信号的反射、噪声及衰减等干扰因素对测试结果的影响，传输线长度为2.2和4.0 m下的收集电荷分别为228.8和227.2 fC(标准差均<1%), 与理论值之比分别为 94.7%和94.0%。可见该测试系统与理论值保持一致，对频率为百 MHz量级的高频信号无明显反射，在一定的传输线长度内对测量的高频信号损失非常低。

2 脉冲激光诱发的电荷收集

用脉冲激光模拟单粒子效应试验系统，波形采集使用TDS7704B高频示波器。为消除噪声影响，采用高精密的净化交流稳压电源。试验以p-n结敏感区外某点为起点，用移动 DUT平台将脉冲激光扫描辐照测量p+n结敏感区外、边缘、中心的收集电荷，扫描范围为110 μm×50 μm。改变脉冲激光能量、辐照位置及工作反向偏压，测得的典型瞬态脉冲波形见图 3。瞬态脉冲幅值明显随脉冲激光能量增大，瞬态脉冲波形明显地向坐标的负方向移动，说明能量越大越易诱发瞬态现象。

将图3数据积分可得到总收集电荷(图4)，收集电荷明显随脉冲激光能量增大。激光在半导体材料中产生的电子-空穴对密度与沉积的能量成正比关系，即n=λE(1–R)e–αz/(hc), 其中α和R分别是吸收系数和反射系数，E和λ为激光入射能量和波长，Z为激光在半导体材料中穿透深度。图4数据拟合得收集电荷与脉冲激光能量的函数为Q= 1.2579E4/3，故在相同辐照条件下，激光脉冲照在二极管结上收集的电荷数量取决于入射能量的4/3次方，这主要是由于电荷收集中漏斗效应引起的，而漏斗长度最终决定额外收集电荷的数量。

图3 在相同偏压条件下能量对瞬态脉冲幅值Fig.3 Pulse height spectra at different laser energies under the same bias voltage.

偏压为8 V，用与等效重离子LET值相当的脉冲激光辐照下，p+n结内不同区域收集电荷效果有一定的差异，结果如图5所示。远离敏感区处的收集电荷明显减小，在敏感中心区域的收集电荷高于敏感区外和边缘，这是由于敏感区外的漂移收集作用明显减弱造成。

图4 收集电荷随脉冲激光能量变化关系Fig.4 Relation between collected charge and pulsed laser energy for the PN diodee.

另外发现，用相同能量的脉冲激光照射样品的同一位置，偏压为5、6、7、8 V时，收集电荷分别为 146.52–160.12、173.56–197.30、201.65–214.82和214.39–313.70 pC，当偏压为10 V时，二极管被击穿。p-n结的耗尽层厚度与偏压的关系为：

式中，V为外加偏压，Vi为p-n结内建电势差，Nd为掺杂浓度，q为电子电荷，K为波尔兹曼常数，εs为Si的相对介电常数，εr为Si的真空介电常数，T为绝对温度。故当偏压增大时，p-n结的耗尽层厚度Zd增加，耗尽层厚度的增加导致收集电荷增多。

图5 收集电荷与样品内结构的相关性图Fig.5 Collected charge versus laser beam position.

3 重离子与脉冲激光试验结果比较

将脉冲激光试验数据与在HI-13串列加速器重离子微束试验数据[7]进行比对(偏压为8 V)，其结果如表1所示。

表1 脉冲激光和重离子辐照试验结果比对Table 1 Comparison of charge collection transients for pulsed laser and heavy ion.

由表 1，激光诱发的瞬态脉冲幅值明显远低于重离子瞬态脉冲幅值，这是因收集电荷与径迹结构的影响造成的[8]。离子径迹中，径向电荷浓度在中心强烈峰化，并随半径急剧衰减，几十 MeV能量离子径迹宽度约0.1 μm；而聚焦后的激光光斑可达1–2 μm，其径迹宽度比低能离子大得多，与高能重离子相当，且在径向呈Gauss分布。具有相同LET值的激光脉冲和重离子相比，径迹宽大、中心电荷浓度低。

另外，激光诱发的瞬态脉冲上升沿时间大于重离子上升沿时间，即重离子的电荷收集波形陡，激光的电荷收集波形相对较扁，表明重离子电荷收集时间短、以快分量为主，而脉冲激光电荷收集时间较长、快分量有较大贡献，这与文献[9,10]的相关理论完全一致。重离子或激光在半导体材料中产生电荷径迹后发生扩散和复合过程，如漏斗效应和俄歇复合。在高载流子密度下，俄歇复合是影响电子-空穴寿命的主要因素，由于离子的电荷俄歇复合时间远小于激光复合时间，因此通过俄歇复合，离子径迹中损失的电荷要比激光电荷径迹中损失的电荷多(在半导体材料收集到一个单位的电子电荷数相当于分离了一个电子-空穴对)。

4 结语

通过脉冲激光模拟试验研究，获得了p-n结的收集电荷、收集电荷与入射位置、偏压、能量的相关性。研究结果表明，敏感区内的收集电荷数相差不大，但随逐渐远离敏感区，收集电荷明显减小，在试验相同条件下，瞬态脉冲信号幅值和收集到的总电荷随着脉冲激光能量的增大而增多，收集电荷与激光能量呈指数关系；收集电荷随偏压而增大。通过激光和重离子试验数据比对结果表明，两者电荷收集有一定的相似性，但激光诱发的瞬态脉冲幅值明显远低于重离子瞬态脉冲幅值，且电荷收集时间长。

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