（材料学专业论文）硅材料抗辐射能力噪声评价技术研究.pdf

摘要 摘要 硅材料是当今最主要的微电子和光伏材料，硅太阳能电池更是应用卫星和太空 装置最重要的持续，洁净的动力供应源。因此，通过研究硅材料抗辐射能力来提 高辐射环境下器件性能是具有实际意义的。 噪声与材料和电子器件的缺陷密切相关，且表征参量丰富，可以为硅材料和硅 基器件抗辐射能力研究提供一套灵敏，无损，通用，完备，可靠性高的评价技术。 本文根据现有硅材料工艺和应用，研究硅材料抗辐射性能噪声评价技术，主要工 作有： 设计硅材料测试结构并外购通用硅单结晶体管和硅光电池器件，有目的的设 计合理的6 0 c oy 射线辐照实验方案，进行辐照实验。测试并对比分析样品辐照前 后的电学和噪声测试数据，使结果更具有实际指导意义。本文在研究硅材料和硅 光电池性能退化的辐射损伤机制及噪声检测理论基础上，结合实验结果优选出可 全面评价硅材料和硅光电池抗辐射性能的噪声参量。同时，深入研究硅材料和硅 光电池抗辐射能力噪声评价理论，提出硅材料和硅光电池抗辐射能力噪声无损评 价技术，包括参数提取，评价标准和流程。应用硅材料和硅光电池噪声评价技术， 得出一套简单硅基器件抗辐射能力筛选方案。 关键词：硅材料硅光电池辐射噪声评价技术 a b s t r a c t s i l i c o nm a t e r i a li st h em o s ti m p o r t a n to ft o d a y sm i c r o e l e c t r o n i c sa n d p h o t o v o l t a i c m a t e r i a l s ，t h es i l i c o ns o l a rc e l li sa p p l i e ds a t e l l i t e sa n ds p a c ee q u i p m e n t sc o n t i n u e d ， c l e a na n dt h em o s ti m p o r t a n tp o w e r s u p p l y t h u s ，b ys t u d y i n gt h er a d i a t i o nh a r d n e s so f s i l i c o nm a t e r i a l st oi m p r o v ed e v i c ep e r f o r m a n c eu n d e rt h er a d i a t i o ne 薯1 v 的n m e n ti s e v e nm o r em e a n i n g f u l n o i s ei sc l o s e l yr e l a t e dt ot h ed e f e c t si nm a t e r i a l sa n de l e c t r o n i cd e v i c e s a n dt 王1 e c h a r a c t e r i z a t i o np a r a m e t e ra l et i c l l ，c a np r o v i d ea s e n s i t i v e ，n o n d e s t r u c t i v e ，u 1 1 i v e r s a l c o m p l e t e ，h i g hr e l i a b i l i t ye v a l u a t i o nt e c h n i q u e sf o rs i l i c o nm a t e r i a l sa n ds i l i c o n b a s e d d e v i c e sr a d i a t i o nh a r d n e s ss t u d y r e s e a r c m n gt h e n o i s ee v a l u a t i o n t e c h n i q u ef o r r a d i a t i o nt o l e r a n c ei ns i l i c o nm a t e r i a l s ，b a s e0 1 1t h ee x i s t i n gc o m m o ns i l i c o nt e c h n o l o g y a n da p p l i c a t i o n s ，t h em a i nw o r ki s ： d e s i g ns o m et e s ts t r u c t u r ea n dp u r c h a s ec o m m o ns i - u n i j u n c t i o nt r a n s i s t o ra n d s i 。s o l a rc e l l s ，c a r r yo u tap u r p o s e d e s i g n e d6 0 c 0 y r a yi r r a d i a t i o ne x p e r i m e n t s t e s t i n g a n dc o m p a r a t i v ea n a l y z i n gt h ee l e c t r i c a la n dn o i s ec h a r a c t e r i s t i c so fs a m p l e sb e f o r ea n d a f t e ri r r a d i a t i o n ，t om a k et h er e s e a r c hf i n d i n g sh a v em o r ep r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e i nt h i s p a p e r ，b a s i n g o nt h es t u d i e so fs i l i c o nm a t e r i a l a n ds i s o l a rc e l l sp e r f o r m a n c e d e g r a d a t i o nm e c h a n i s mo fr a d i a t i o nd a m a g e ，n o i s ed e t e c t i o n t h e o r y , a n dt h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，a no p t i m a lc h o i c ef o rn o i s ea s s e s s m e n tp a r a m e t e r so ft h es i l i c o n m a t e r i a la n ds i s o l a rc e l l s r a d i a t i o np r o p e r t i e si sp r e s e n t e d a t 曲s a l t l et i m e ，s t u d yt h en o i s ee v a l u a t i o nt h e o r yf o rr a d i a t i o nt o l e r a n c ei n s i l i c o nm a t e r i a l sa n ds i - s o l a r c e l l s ，a n dp r o p o s es i l i c o na n ds i s o l a rc e l l sn o i s e n o n - d e s t r u c t i v ee v a l u a t i o nt e c h n i q u e sf o rr a d i a t i o n t o l e r a n c e ，i n c l u d i n gp a r a m e t e r e x t r a c t i o n , e v a l u a t i o nc r i t e r i aa n dp r o c e s s e s a n dd r a was i d e v i c e st h ea b i l i t yo f a n t i r a d i a t i o ns c r e e n i n gp r o g r a m sb ya p p l i c a t i n gt h es i l i c o nm a t e r i a la n ds i s o l a rc e l l s n o i s ee v a l u a t i o n t e c h n i q u e s k e yw o r d s - s i l i c o nm a t e r i a ls i s o l a rc e l l r a d i a t i o n n o i s ee v a l u a t i o nt e c h n i q u e 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：丞翅：丝日期丝丝，主：里 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名：叁丛丝 导师签名： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 硅材料作为现今产量最大，应用最广的半导体材料，其产量和用量标志着一个 国家的电子工业水平1 1 2 】。 随着航天、核能等高技术领域的迅速发展，越来越多的高性能半导体器件需要 在辐照环境下工作【3 ，4 ，5 1 。早在2 0 年前太阳能电池就已是卫星和太空装置最主要的 持续，洁净的动力供应源m l 。硅太阳能电池的性能强烈依赖于基区材料质量 7 “9 1 。 作为电子工业和光伏产业的基础原料【1 0 1 ，硅材料的抗辐射性能研究是非常具有实 际意义的1 1 1 1 制。 早期主要应用扫描电子显微镜、沟道一背散射、红外光谱、电子顺磁共振、深 能级瞬态谱仪和正电子湮没等技术研究辐射缺陷及其在半导体材料禁带内引入的 附加能级【1 5 1 。近年来也用高分辨率辉光放电质谱法( 用来分析硅纯度和杂质种类) 和二次离子质谱法( 用来进行元素的精确分析) 辅助研究太阳能级硅材料中杂质 在辐射过程中的影响【5 , 1 6 】。但这些技术普遍存在着通用性差，仪器昂贵笨重，样品 需要特殊准备，损伤性大等缺点。而噪声是由材料和器件的物理性质，温度和辐 射等原因引起的物理特性波动而产生的，对于大多数“浴盆曲线 平滑区失效器 件在加工或运行过程中产生的晶格缺陷，杂质缺陷非常灵敏【1 m 羽，适合用于分析 和预测电子器件在辐射环境下的可靠性。因此，应用噪声测试技术作为真正了解 材料在服役环境下性能的原位硅材料抗辐射能力无损评价技术，提取可靠性好、 易于分析的噪声评价参量也成为各国航天局、研究所及高校等科研机构研究的热 点 2 3 2 4 1 。 1 2 研究现状 1 9 0 6 年，硅开始作为半导体材料应用【2 5 2 7 】。此后，硅材料与硅器件相互促进 发展，并广泛应用于空间环境中。航天器年辐射累积剂量约1 0 0 0k r a d ( s i ) 4 , 5 2 引， 要求其低掺杂区域辐照引入缺陷达掺杂缺陷1 0 0 倍以上时，仍保证可工作性【2 9 】。 因此，国内外学者对硅材料辐射缺陷进行了广泛研究。 国外的研究开始于2 0 世纪4 0 年代晚期。j o h n s o n 和l a r kh o r o v i t z 首次研究了 硅材料和器件的位移损伤效应，此研究持续5 0 年之久【3 0 l 。半导体器件的位移损伤 主要归结为少子寿命的减少，太阳能电池作为典型器件【3 l 】，y a r n a g u c h i 等人很早就 建立了其电子和质子辐照的电学模型，并用少子扩散长度的减小和基区多子的去 除效应很好的解释了实验现象【3 2 3 4 j 。c u t t i s 发现6 0 c oy 射线辐照硅与杂质浓度的损 2 硅材料抗辐射能力噪声评价技术研究 伤因子有明显相关性，并在2 0 世纪5 0 年代后期被接受，一直延续到2 0 世纪8 0 年代中期【1 5 】。国内的研究开始于2 0 世纪6 0 年代末。研究表明不同辐照源对材料 产生的辐照效应存在差别，有的会引发次级辐照损伤效应1 3 5 j ，使不同辐照源的辐 射效应具有一定一致性p w 。 硅辐照物理的发展超过四十年，各种测试数据仍未得到一个包括初始参数在 内的预测模型。人们期望得到简单易行的方法，提取辐射敏感参量，建立定量模 型。但传统方法不能测试潜在失效，而噪声测试( l f n m ) 的优点就是可测潜在失 效和非破坏性【”，2 3 】。2 0 世纪6 0 年代开始，l f n m 已被用于材料和电子器件的质量 控制领域。到7 0 年代，几乎所有引起退化和失效的原因，如：辐照，电迁移，老 化等，都用l f n m 研究过 2 3 1 。材料物理特性波动研究是近十年间研究的活跃区域， 最突出的就是定义了普遍存在的1 f 噪声。电子器件噪声特别是低频噪声，主要来 源于器件材料本身。随着半导体器件尺寸减小，噪声研究变得更加重要。噪声测 试技术是应用于材料和电子器件分析，诊断及可靠性预测的一种无损、敏感、简 单、直观、可靠性好的测试技术。早期的研究基本为体材料，最新的为外延材料。 大部分研究在室温下进行，一些研究在液氮温度下进行【1 9 1 。国外从1 9 6 6 年就开始 用1 f 噪声来预测半导体器件可靠性。2 0 世纪中期，有人使用噪声测试技术来研究 单晶硅器件的性能1 2 0 l 。1 9 8 2 年，h c d eg r a a f f 和m t m h u y b e r s 首次测试了多晶 硅电阻器的l f 噪声【删，开始了多晶硅导电材料1 f 噪声研究的先河。国内西安电 子科技大学微电子所孙青、庄奕琪教授等人从1 9 8 7 年就开始这一领域的研究工作， 并获得许多可喜成果【4 l j 。 随着人们对噪声测试技术关注度的增加，对于噪声表征技术的研究也越来越 深入透彻，为噪声评价技术的研究奠定了良好的基础。噪声评价技术在硅材料和 器件的抗辐射能力的加严评价和筛选方面的应用也具有广阔的发展前景。 1 3 研究目的和论文结构 本文研究的目的是研究基于噪声的硅材料抗辐射能力评价技术。该技术不仅 可以用于硅材料本身评价，更重要的是可以用于硅基器件的辐射加固筛选。 在国内外相关研究的基础上，进一步分析硅材料的辐射损伤缺陷、抗辐射能 力评价及其在典型器件辐射加固过程中的应用。利用噪声方法为硅材料选择和工 艺改进提供一种准确、灵敏、无损的评判方法。与此同时，以材料辐射损伤噪声 评价方法为基础，研究器件辐射加固噪声无损评价技术及筛选方法。 为了实现这样的研究目的，本文通过五章来讨论：第一章对本课题的研究背景、 现状及目的进行了概述。第二章运用材料与器件相结合方法，介绍了硅材料辐射 损伤的微观机制与模型，硅基器件的辐射效应，材料缺陷与噪声的关系。第三章 第一章绪论 介绍了用于硅材料辐射损伤研究的测试样品的设计和选取，辐照实验方案和测试 结果的分析，并对辐射损伤噪声评价参量的正确性，灵敏性进行验证，优选评价 参量。第四章深入研究了硅材料和硅基器件的噪声评价理论，并结合二、三章的 内容给出硅材料和硅光电池辐射损伤噪声无损评价技术的基本方法，评价依据和 基本流程。第五章是论文的研究成果及结论，并对下一步工作进行了展望。 第二章硅材料抗辐射能力评价原理研究 5 第二章硅材料抗辐射能力评价原理研究 2 1 1 硅材料与硅基器件 2 1 硅材料基本概念及应用 硅材料是重要的半导体材料，具有热导率较大，化学性质稳定，易于形成稳定 的热氧化膜等特点，且价格低，工艺成熟，被广泛应用于微电子，光伏产业【2 6 2 7 1 。 最普遍使用的硅材料有三种：单晶硅，多晶硅和非晶硅，如图2 1 。随着器件工艺 和性能的发展，无定形硅，应变硅和微晶硅等硅材料也倍受关注。不同材料在制 造过程中形成的结构并不相同( 如图2 2 ) ，性能也有所差异。 ) 上 l ijlj r 1 rr 7 1 t r 一l j i rr1r1r r1r 1f r llkjl ， f a 非晶态 b 结晶态 a 0 s i 图2 1 ( a ) 单晶硅，( b ) 非晶硅及 图2 2 结晶态和非晶态 ( c ) 多晶硅结构示意图二氧化硅二维排列示意图 硅材料主要应用有集成电路衬底，栅极，扩散电阻，太阳能光电转换材料等。 特别太阳能电池多晶硅需求量的增长速度高于半导体多晶硅的发展，成为多晶硅 的主要市场1 o l 。对于双极晶体管、m o s 器件、太阳能电池等硅基器件的电学性能 和缺陷等研究也日益深刻，细化【1 1 ，3 “3 8 ，4 2 嘲】。硅光电池具有一系列优点：性能稳定， 光谱范围宽，频率特性好，转换率高，耐高温辐射等。早期的非晶硅电池成本低， 产量高，光电转换效率一般为8 左右。随着单晶硅和多晶硅的广泛应用，转换率 得到明显提高，达到1 0 1 6 。为了降低成本，同时得到更高的转换率，人们开 始对硅薄膜太阳能电池，硅晶粒太阳能电池以及微晶硅太阳能等进行更深入的研 6 硅材料抗辐射能力噪声评价技术研究 究。 2 1 2 硅材料技术参数与硅基器件性能 材料是一切电子器件和电路的基础。如材料的类型、晶向、缺陷、阻值、作 用方式和工艺参数等都会直接或间接影响器件各项性能参数的变化。因此在器件 制造中选取合适参数的硅材料就显得十分重要。 硅材料主要技术参数有： ( 1 ) 导电类型：通过向本征材料掺入电活性杂质以获得所需的导电类型和电 阻率。n 型多掺磷( 锑或砷) ，p 型多掺硼，在合格半导体和多晶硅中应分别低于 0 4 p p b 和o 1 p p b 。辐射环境下多用p 型衬底来提高器件的抗辐射性； ( 2 ) 电阻率与均匀度：迁移率和载流子浓度一起决定半导体材料的电阻率大 小。电阻均匀度包括纵向、断面和微区电阻率均匀度，直接影响器件的参数一致 性和成品率； ( 3 ) 非平衡载流子寿命：同器件放大倍数、反向电流和开关特性等有关，又 间接反映硅单晶的纯度。重金属杂质铜、金、铁等和非金属碳都会使寿命值大大 降低； ( 4 ) 晶向与晶向偏离度：对于双极型硅器件，一般要求( 1 1 1 ) 晶向，m o s 硅器件为( 1 0 0 ) 晶向。为了获得良好的p n 结结面，减少外延层的缺陷，选用( i i i ) 晶向，稍偏离2 0 5 0 ； ( 5 ) 晶格完整性：热加工过程中，硅单晶微缺陷间的相互作用及变化直接影 响集成电路的成败。要求无位错、低位错，其他缺陷特别是微缺陷极少； ( 6 ) 制备工艺：不同的衬底掺杂工艺，如p o c l 3 气一固扩散；p s g 固一固扩 散；p a s s g 固一固扩散也对器件噪声的影响十分明显 4 5 , 4 6 1 。 此外，迁移率，纯度，杂质补偿度等在特定条件下也对器件性能有巨大损害。 随着集成电路晶圆大型化及器件单元微小化，缺陷对器件、电路的不良影响 也相对增加。要维持一定的良品率，成为硅材料科学的莫大挑战 4 t l 。 2 2 硅材料辐射损伤机理与模型 空间辐射环境中存在大量高能电子，这些粒子的累积剂量效应是导致卫星失 效的主要原因之一【1 4 1 。电子与y 射线辐射效应上具有很好的一致性口5 ，8 ，9 1 4 ，1 5 3 5 1 ， 且在6 0 c oy 源上做实验更容易控制实验条件3 0 1 。因此，本文也以丫射线来模拟实 际空间的辐射环境研究硅材料的辐射损伤。 第二章硅材料抗辐射能力评价原理研究 7 2 2 1 硅材料辐射损伤微观机理 辐射对半导体造成损伤的机制有：位移效应、电离效应和表面效应【3 4 ，8 ，”0 1 。 造成电离损伤一般比造成位移损伤需要的粒子能量小得多。因此，带能光子( y 射线及x 射线) 同固体物质相互作用时，以电离损伤为主，在材料中产生一个带 能量的自由载流子( 或成对产生) 。光子能量e p h 的不同，作用结果也不同，如图 92 【3 ，8 ，3 5 , 4 5 ，4 8 5 1 1 - jo 图2 3 光子与靶材料相互作用示意图【4 8 1 虽然原则上高能光子不可能直接产生位移效应，但是由于y 射线具有很强的 穿透能力可以足够靠近硅晶体原子的原子核，与原子核产生弹性碰撞，形成空位 ( 硅自) 间隙原子对，造成微弱的位移损伤【4 8 】。损伤几率随入射粒子能量和质量 的升高而增大。y 射线的主要位移损伤来源于电离效应产生的e e h 1 7 0 k e v 的次级 电子在半导体晶格中形成的均匀点缺陷 4 - - 5 , 8 , 9 , 1 4 , 1 5 , 3 5 1 。 电子或y 射线相关的位移损伤沿其轨迹分布比较均匀，不形成明显的损伤峰。 大部分的原始空位间隙原子对不发生永久性的混乱，只有一小部分空位间隙原子 对不复合并在材料中迁移同产生的空位、间隙原子或“中性的”( 间隙的) 晶格位 置的杂质相互作用形成稳定的点缺陷络合物，形成相应缺陷能级【3 5 1 1 。在1 1 型硅中， 空位氧对( v - o ) 0 3 】，双空位( v - v ) ，磷一空位对( p v ) 等都是稳定的辐射缺陷。 其中v - o 缺陷密度最大，有时甚至可以达到v - v 加缺陷密度的1 0 0 倍以上，在氧 含量高的硅材料( 如c z 硅) 中起主导作用，是具有e c 0 7 6 e v 施主能级和e v + o 1 7 e v 受主能级的双性缺陷；v v - o 缺陷密度次之，形成e = e c 0 3 5 e v 和e = e c 0 4 6 e v 的 深施主能级以及e = e 、，+ 0 2 5 e v 和e = 日+ o 3 6 e v 的深受主能级；p v ，c i o i 及c i c s 等缺陷密度更小，也会形成各自的能级 5 2 , 5 3 】。在氧含量低的硅材料( 如f z 硅) 中， 俘获能级为e c 0 1 2 e v 的间隙碳原子( c i ) 和俘获能级为e c 0 4 e v 的p v 在低温 辐照下就可见。碳相关缺陷( 如c i 和e c 一0 1 6 e v 的c i c s ) 占主导地位1 2 9 , 5 4 。这些 缺陷共同决定被辐照材料的性质( 如图2 4 ) ，主要的辐射效应包括：1 禁带中心附 近电子空穴对的热激发；2 电子空穴对的复合；3 浅能级的临时俘获效应；4 施主、 8 硅材料抗辐射能力噪声评价技术研究 受主的补偿效应( 去除效应) ；5 缺陷能级潜在势垒的隧穿效应；6 散射效应，使 载流子的迁移率发生变化【2 4 ，5 5 1 。还有反型效应以及热激发增强效应等1 5 1 。 产生复合 陷获和发射 i2 - j：- - l 2 q ： 图2 4 缺陷能级作用示慈图 在多晶硅中晶界对材料性能的影响主要有两个方面【2 6 1 ：载流子陷阱和杂质分 凝。它们使电离辐射诱生的电子和空穴对晶界缺陷态密度影响较小，仅使晶界处 势垒。有微小改变。因此，低剂量的y 射线辐射不会引起多晶材料性能的退化。 而对于高剂量的y 射线或质子、中子等高能粒子造成的位移损伤而言，也不会改 变晶界处的缺陷态密度，而仅仅是辐射诱生晶粒内的晶格缺陷致使材料内电子迁 移率肛。降低，电阻率艮增加。总而言之，晶界结构的存在使得辐射缺陷的研究变 得更加复杂【5 6 1 。 2 2 2 硅材料辐射损伤模型 由上文可知，硅材料的y 射线辐射效应应分为y 射线自身产生的电离效应和 次级电子产生的位移效应两部分分析。两种效应在整个辐照过程中共同作用于硅 材料，影响材料性能。 电离作用在材料中沉积的能量由线性能量转移( l e t ) 函数成1 哆么( 单位为 m e v c m 2 g ) 决定，式中p m 是材料的密度，e 是辐射能量；d x 是材料中的基本轨 道阻止本领，是靶原子、粒子类型及其能量的函数，可用下式表示【5 7 j ： 一i d e = 2 p q 4 彳z 2 心丝喜l n f 萼1 ( 2 1 ) 瓜f hl l ! , e h ) 式中：z l 及z 2 是入射粒子及靶原子电荷；n 砒是靶原子密度；m 2 是相应的原子质 量；m 及e 是入射粒子的质量和能量；e c h 是平均电离能；q 是电子电荷的绝对值； 而p 是材料的阻止数，它随能量缓慢增加。由此可见，确定辐照源在特定材料中 的能量沉积也是确定的。硅中平均阻止本领【5 s 】： 第二章硅材料抗辐射能力评价原理研究 9 一d e ： ( 2 2 ) 一= = 一 - zj d x ( v c ) 式中：c 是光速；v 是粒子速度 大量研究郾 3 5 ，4 5 4 8 吲1 表明，对于中间的光子能量，康普顿效应是硅材料主要的 电离效应，此时发生光子能量的不完全吸收，即同时发射一个能量较低的二次光 子。假设二次光子能量超越阈值，它可以再次被吸收，在半导体材料中产生平均 数为e p l 征c t l 的载流子对( 为原始的光子能量) ，并随辐照剂量的增加线性累积。 瓴离芘等 ( 2 3 ) 其中，2 电离是电离增加的载流子浓度，d 为辐照剂量。 次级电子的能量决定了位移损伤模式。晶格上的硅原子会被碰撞出而进入间 隙位置，甚至是晶体的表面时，硅原子所需俘获的能量( e m ) 大约是1 2 5 e v ，遵 循下面的定律： = 2 e 。1 ( e c r + 2 m o c 2 ) ( 2 - 4 ) 当晶格上的硅原子俘获的能量高于时，会产生级联效应，这种效应有时会 造成无序状态。然而，当粒子的能量适中时，会产生如空穴和间隙硅原子等简单 点缺陷。当硅原子俘获的能量低于1 2 5 e v 的时候，位移损伤是很难被发现的。 y 射线辐射硅材料的位移效应主要表现为少子寿命下降，多子去除和迁移率 下降【5 5 1 。 辐射产生少子陷阱或复合中心使少子寿命下降1 3 , 3 6 1 ： 一三：k d( 2 5 ) f df o 其中，k 为寿命损伤系数，范围是5 3 8 1 1 0 一 g y ( s i ) s 。 大量文献认为硅材料y 射线辐射缺陷能级最主要的作用为俘获自由载流子， 施主受主补偿，以n 型硅为例： r 位移= n o e 一田一p d ( 2 - 6 ) 其中，位移为有效掺杂浓度，o 是衬底初始杂质浓度，c 是施主去除系数，1 3 为 受主引入率。由于c 值很小，可进行一次近似，得到硅中的多子浓度与辐照剂量 的线性关系： n ( d ) = 刀( o ) 一k d ( 2 7 ) 式中：n ( o ) 及n ( d ) 分别为辐照前及辐照到剂量为d 以后多子的浓度。k n 为载流 子去除率。 1 0 硅材料抗辐射能力噪声评价技术研究 同时，辐射产生的缺陷可以作为散射中心使载流子的迁移率降低【1 5 】。由此得 到迁移率变化公式【3 ，5 3 】： j l l ：- 卫 ( 2 8 ) 1 + 瓯m 其中，i 表示作为散射中心的缺陷类型，m 表示缺陷i 的数目，点表示缺陷i 对载 流子的散射因子。在位移损伤中缺陷密度与辐照剂量的关系为【3 】： 枷壮万悟，卜 协9 ) 其中，以= 舡一；e m 是转移z 核的最大能量；e d 是位移的阈值能量；将( 2 9 ) 代入( 2 8 ) 中得到迁移率与辐照的关系： 口：j 堑f 一 ( 2 10 ) 。m 色4 褊陋，卜 根据式( 2 1 0 ) 中各项参数理论值可知，硅材料中，迁移率要在很高的剂量下 才表现出微小变化，电学分析中常忽略迁移率的变化。即载流子数去除是硅材料 在y 射线辐射下阻值变化的主要来源，只有到达一定辐照剂量后，迁移率影响才 会凸显出来。 硅材料中电离效应对材料性能的影响不如位移效应明显，因此，常常被忽略， 认为位移效应是硅材料y 射线主要辐射效应。实际上，电离效应是y 射线在硅材 料中产生的最直接的效应，并在整个辐照过程中影响着材料性能。综上，硅材料 在y 射线辐射下的电导率与辐照剂量的关系应为： 盯：( 瓴膏+ 移) g 心咄d + 一! 雩字】g 以 ( 2 - 1 1 ) 1 + - - 1e x p i 兰业l 2 一l2 其中，a 为电离系数。在一定总剂量下，可近似为一种线性关系，随着辐照剂 量的增大，逐渐偏离。线性范围与材料的电阻率、生长方式，外加电压例以及制 造工艺有关。有实验表明，掺杂浓度越高、含氧量越高其线性范围越大【3 5 1 。 同时可以发现，与高掺杂材料相比，低掺杂的高阻材料，多子去除效果更为 明显，抗辐射能力更差【4 5 1 。 第二章硅材料抗辐射能力评价原理研究 图2 5 具有非统一势垒高度的n 型多晶硅导电材料能带图【删 多晶硅材料的情况则更为复杂，如图2 5 。需引入势垒电阻的概念，简化 晶界影响，将多晶硅材料电阻假设为由一系列有限的晶粒体电阻吃和势垒电阻 串联构成的【6 l j 。 = d v s c r 书k t 灿a 。1 喏，唧( 鲁) 螂h ( 监2 k t11_1)j 其中，4 是晶粒的横截面积，近似为平均晶粒尺寸 的平方，d 为空间电荷区 的宽度，门( d ) 为准中性区的电子密度，哆= ( k t 2 r c m 奉) 2 是结合速率，屹k 为 扩散速率，k 是界面附近最大的电场，是耗尽势垒区的偏置电压。 晶粒体电阻r c 与前面讨论的一致，由( 2 1 1 ) 式给出。 2 3 硅基器件的辐射效应 2 3 1 单结晶体管的辐射效应 单结晶体管是一种简单的振荡器件，在5 0 0um 长的硅棒上做一个p n 结而制 成。发射极的p 区掺杂较高，基区为n 型硅，掺杂很低，扩硼形成的p 区把n 区 分成两个部分，如下图，其中b l 和b 2 分别为第一和第二基区，b 1 和b 2 间的电 阻称为单结晶体管基区电阻r b b ，阻值一般为2 1 0 k q ，是单结晶体管最重要的性 能参数之一。由于基区的高阻特点，使得单结晶体管很不耐辐射。硅单结晶体管 器件在1 兆电子伏y 射线辐照下的典型辐照失效阈值仅约为4 1 0 5 r a d 。基区电阻的 抗辐射性能直接影响了单结晶体管的可靠性【6 2 , 6 3 j 。 蒌 彳睁一t 1 一一t 4 - 1 ) ：一l 图2 6 单结晶体管内部结构图 单结晶体管基区的辐射变化规律基本遵循硅材料的辐射损伤机理，随着辐照 1 2 硅材料抗辐射能力噪声评价技术研究 剂量的增大阻值增大。但是在辐射过程早期普遍出现了阻值随辐照剂量的增加而 下降的现象，且下降幅度远大于上升幅度，多数器件直至失效也难以恢复。退化 因子平均在1 6 左右，如表2 1 。 表2 1 单结晶体管2 n 2 6 4 6 在4 0 0 k r a d 的c oy 射线辐照前后变化6 3 】 电子辐射也会有相同的效果，但是早期下降要平缓很多，而上升反而陡得多。 如图2 7 。由此可见，在y 射线产生次级电子的电离效应是下降幅度变大，上升幅 度减小的主要原因。 图2 7 电子辐照单结晶体管基区电阻变化规律 同时，考虑到不同点缺陷存在不同的结合势垒和时间i 删，近似将辐照时间划 分为小的时间隙，简化时间对缺陷作用的依赖性。每个时间隙，缺陷可以相互作 用，作用结果依次与前一时间隙的缺陷结合作用于下一时间隙，形成新的缺陷【5 3 】。 由此假设，二次电子的位移效应将滞后于电离效应影响硅材料的电学特性。这个 滞后时间为t o ，得到的滞后剂量为d o = x 气( 其中，x 为辐照剂量率) ，则电导率 随辐照剂量的变化可以修正为： 仃：( 钒离+ 刍) g 心：【a d + n o e - 。，( d - 。) ，- f f l ( d f - d 、o ) q g ( 2 1 3 ) 1 + 扣l 等j 硅材料的这个d o 值很小，是很难测得的，我们做测得的转折剂量点实际上时 位移效应的影响增加到与电离效应影响平衡时的剂量点。尽管如此，仍然很难在 硅材料剂量累积的辐照实验中以移位测量的方法( 现今硅材料抗辐射能力研究的 主要方法) 观察到这个转折点，因此在硅材料辐射性能研究中常常忽略这一过程。 而器件制造过程中引入了更多的原始缺陷和杂质，这些原始缺陷对于位移效应存 m 0 5 2 o a5刍日哥口零一 第二章硅材料抗辐射能力评价原理研究 在着吸附效应，有效的抑制早期位移缺陷的增加【6 5 删，延长了转折点值，使福 以明显观察到阻值下降过程。从y 射线硅材科辐照损伤研究中可以发现在位聪 应影响效果明显超过电离效应后，电离效应依然作用于材料，抑制阻值增加幅j 使器件基区电阻阻值直至损坏都难以恢复到初始值，造成了硅材料与硅单结晶 管器件基区阻值随辐射变化趋势的不同。 然而，这些参数都不是固定的。d o 值会受到剂量率影响，器件工艺也可叫 变n 、1 3 和c 值。因此根据辐射环境控制器件的原始掺杂浓度n o ，选用合暹 器件工艺，甚至合适的工作电压都会改变基区阻值的变化幅度和转折剂量，器 到器件的抗辐射特性。 2 32 太阳能电池的辐射效应 上世纪6 0 年代，科学家们就已经将太阳电池应用于空间通信卫星供电。瑚 提供的太阳能电池太多是应用在卫星和太宅装置巾持续洁净的动力供应源。硅 阳能电池工艺更是早在2 0 年前就已经控制了商业卫星的动力供应吲。太空及军 太阳能电池工作在辐照环境下，电池性能的退化将影响系统整体的可靠性甚 导致功能失效。因此对太阳能电池辐射效应进行研究是十分具有实际意义的。 图28 光伏电池框图 硅太阳能电池是由较厚的p 型基区和薄的n 型发射区组成，如图2 8 。其主 参数有短路电流、效率和开路电压等矧。 光电池工作时有三股电流：光生电流i l ，在光生电压作用下的p n 结正向电流 流经外电路的电流1 。f t 和i r 都流经p - n 结内部，但方向相反。 根据p n 结整流方程，在正向偏压作用下，通过结的正向电流为： = 哆砭扩t j 协 则有光电池与负载电阻结成通路通过负载的电流应为： k 一= 一( e 卅毵) 1 1 ) ( 2 - 1 5 ) 1 4 硅材料抗辐射能力噪声评价技术研究 其中v 是光生电压，厶是反向饱和电流【6 7 1 。 太阳能电池的光电流由3 部分组成： i l = i n + ip + i d ( 2 1 6 ) 其中i n ，i p ，i a 分别是n 区，p 区以及势垒区的光电流，其中i n ，i p 具有复杂 的解析表达式，与少子扩散长度存在正比例关系，是总光电流中与扩散运动相关 的部分；而势垒区中光电流i d 取决于载流子在内在电场作用下的漂移过程，依赖 于势垒区宽度，与少子寿命和扩散长度无关【5 1 。 载流子寿命有两种重要的寿命，他们控制着载流子的复合( 一c ，) 及产生( 【g ) 进而控制半导体p n 结的工作。复合寿命对于太阳能电池的工作是至关重要的，可 以调节空穴及电子的扩散长度l i i 或l p ，在低注入时由见。或q r ，给定，式中 d n 及d p 是电子及空穴的扩散率。太阳能电池工作中，需要维持长寿命( 载流子扩 散长度) 。因此，应特别注意损伤造成的寿命退化。在低的少子注入条件下，按一 级近似复合寿命对应于少子寿命。对单能级复合中心，其稳态净复合率为 拈肿m 磊习p n - n 2 诵 池1 7 ) 刀+ p + 2 c 厅l = 乇看1l 其中盯咖) 为电子( 空穴) 俘获截面，为载流子热运动速率，n , p 分别为非平衡电 子和空穴浓度，巨为陷阱能级，巨为本征能级，基本处于禁带中央，当陷阱能级 接近禁带中央时( 深能级) ，历专e ，复合率有最大值。 瓦矗可： q 。1 8 ) f ：( ，) 为p 型( n 型) 半导体中少子的寿命，它与辐照剂量的关系如式( 2 - 5 ) 口，5 1 。 由于硅太阳能电池具有基区厚( 通常为3 5 0 - - - 4 5 0 9 t m ) n _ 掺杂浓度低的特点，因 此其性能强烈依赖于基区材料的质量m 。太阳能电池抗辐照能力随着衬底电阻率的 减少而降低 6 8 】。大量研究表明，应用于空间辐照环境的太阳能电池，在空间带电 粒子和射线作用下，其性能会明显变化， 电流下降，暗电流增加，最大功率减小， 其多个参量均与辐照剂量存在定量关系： 包括短路电路减小，开路电压减小，光 效率降低以及噪声幅值增加等【4 ，5 3 2 3 4 1 。 x = x o - c l o g ( - + 瓦d 沼 其中，x 代表v o 。( 或i 辩，p m a x ) ，c 为常数，d x 表示x 开始从常数变化到对数函 第二章硅材料抗辐射能力评价原理研究 数变化时的辐照剂量。 太阳能电池是以少子工作的器件，由于辐射缺陷的引入在器件表面和体内产 生大量的复合中心，使少数载流子寿命和扩散长度发生衰变( 如公式( 2 5 ) ) ，使 光电流的扩散项减小，造成明显的光电流衰减，暗电流增加。少子寿命敏感的影 响着太阳能电池的电参数【4 , 5 , 8 , 9 l 。 太阳能电池的退化除基区一侧辐照引入的少子复合中心外，还有辐照在基区 的引入补偿效应，使多子浓度发生变化，变化方向与y 射线能量有关 6 3 , 6 6 j 。不同 光子能量产生的作用方式和主要作用部位不同，但都会造成开路电压的下降【删。 一般认为在足够大的剂量下，补偿效应导致载流子去除，使得基区电阻非常大， 导致产生的光电压大部分加在了电池的内阻上。p 型基区多子浓度的降低主要通过 两种机制：1 多子陷阱( 空穴) ，2 施主中心的引入【6 3 , 6 8 , 6 9 。辐照引入补偿杂质， 能级大约在导带下0 1 8 e v ，在俘获电子前带正电，在p 型基区中扮演了施主中心 的角刨3 2 3 4 1 。 综上所述，硅太阳能电池的y 射线辐照影响的只是光电流中的扩散项1 5 j ，损伤 主要由于基区少子寿命的减小和基区载流子去除。 太阳能电池的抗辐射能力除了与辐射源能量和类型有关外，还与器件工艺等 很多因素有关。太阳能电池的辐射损伤与射线的入射角度就存在一定关系：小剂 量率下，辐射损伤与入射角有判4 5 】；而大剂量率下，辐射损伤与入射角无关【7 0 ，7 。 高温工作的器件抗辐射性能明显更好【4 j 。同时，器件与材料体本身相比，表面和界 面的作用也是不容忽视的【。7 2 l 。一些太阳能电池上层涂有部分金属，金属层的存在 一方面减少了电流在半导体内部流动的损耗，另一方面也减小了辐射和入射光面 积，这在一定程度上也会影响研究结果。 2 4 材料与器件相结合的研究方法 2 4 1 硅材料辐射缺陷对硅基器件的影响 材料是一切电子器件和电路的基础。当考查辐射对电子元器件的影响时，也 必须考虑材料本身的各种作用。硅太阳能电池在e t s v 1 人造卫星上的异常恶化再 次说明了硅材料中的辐照缺陷的研究是非常重要的，这些缺陷对载流子去除，类 型转换以及少数载流子寿命的降低有重要作用【j 7 3 】。因此，对于硅材料辐射效应的 研究可以很好的帮助器件和电子电路的抗辐射效应研究和性能改进。 国内外的测试结果从电阻率、少子寿命【3 5 , 6 1 , 7 4 】、多子浓度、迁移率、少子扩散 长度【5 5 】、深能级位置【1 1 ，1 5 ，4 3 ，7 5 】以及辐照环境【4 5 1 、测试环境【7 6 7 7 1 、制造工艺【3 5 】等诸多 方面进行着研究。与此同时，也有很多文献对各类硅基器件的辐射效应进行了很 深入的研究 8 , 9 , 4 2 , 4 3 , 5 5 , 6 3 , 7 0 7 2 , 7 8 l ，并在此基础上，提出了很多通过改变材料参数或工 1 6 硅材料抗辐射能力噪声评价技术研究 艺提高硅基器件抗辐射能力的加固方法。结果显示材料杂质及空间辐射在材料中 引入的缺陷等会对各类器件的相应参数造成不同影响，导致器件性能的加强或退 化。 ( 1 ) 电活性杂质： ( a ) 硼：硼掺杂的晶体硅是当今太阳能电池产品中最重要的材料。 少子寿命是对晶体中的微缺陷及杂质非常敏感的一项电参数【7 9 1 。在低金属杂 质浓度的硅中，载流子寿命受亚稳态硼氧相关缺陷的限制，这种缺陷是在辐照或 少数载流子注入时形成的。 p 型硅中具有五个缺陷中心，能级分别为e v + 0 1 8 e v , e v + o 3 0 e v , e v + 0 3 6 e v , e v + 0 4 8 e v 和e c 0 1 8 e v 。在低剂量到低中剂量的样品中观察到e c 0 1 8 e v 处的缺 陷浓度最高。它是深能级施主并对p 型硅中的载流子去除和类型转换有重要作用， 它的引入率依赖于硼浓度【b s 】1 ，碳浓度 c 。】。1 尼和氧浓度 o i 】1 。e v + o 3 6 e v 缺陷被认 为是再结合中心，并且是低硼浓度的硅中少数载流子寿命的减少和载流子去除效 应的原因。它的产生率和 b s 】，【c s 】1 2 , 0 i 】1 尼有关，注入率随着硼浓度的增加而线 性减少。电子能级e v 0 1 8 e v 随着确定的b i o i 的变化而持续增加。在高的硼浓度 的硅中，硼相关缺陷如b i b 。或b i o i