15、252Cf作为实验室辐射源对半导体器件测试与分析的特性研究

252Cf作为实验室辐射源对半导体器件测试与分析的特性研究

1. 研究背景与意义

在当今电子系统中，半导体器件的可靠性至关重要。尤其是航空航天和国防工业，对商用级组件的辐射耐受性有显著需求。电子系统的成败往往取决于单个半导体集成设备的可靠性，而这些产品在不同环境中会受到各种辐射，因此需要进行辐射环境资格认证。

目前，半导体器件的辐射测试和研究通常需要使用中子和离子辐射源，如回旋加速器、范德格拉夫加速器等核加速器。然而，使用这些设施成本高昂且在物流上存在困难，一次测试单个部件的费用可能在1000美元至10000美元之间。而使用252Cf放射性同位素作为实验室辐射源，有望实现更经济、更广泛的半导体器件测试。

2. 辐射源特性

• 252Cf辐射源 ：252Cf作为实验室放射性源，其发射光谱包含中子、伽马射线、α粒子以及重离子碎片，其中重离子碎片在36Ba（78.67MeV）和42Mo（102.6MeV）处达到峰值。它是通过核反应堆中锕系核素的连续中子吸收而制造的，裂变的有效半衰期约为2.6年。这些粒子在硅中的集体平均线性能量转移（LET）为43.0MeV cm²/mg。每次252Cf的自发裂变平均产生约3.85个中子，中子谱在1.0MeV处达到峰值，平均能量为2.35MeV。1克252Cf每秒将产生2.34 x 10¹²个中子。
• 中子辐射源 ：本研究中使用的中子源是一个快速脉冲核反应堆，其能量谱从0.01MeV单调下降到8MeV，中子注量从7 x 10¹²cm⁻²到3 x 10¹⁴cm⁻²不等。除了中子，伽马射线提供的总剂量电离范围为2到6krad（Si）。

3. 测试设置

• 设备选择 ：选用德州仪器的2N2222A高速、中功率通用NPN双极开关晶体管作为测试器件。在测试前，对这些器件的增益（hre，集电极与基极电流）、反向击穿电压（BVcee；Ib与Vb）等电气特性进行筛选。同时，使用惠普4145B半导体参数分析仪来获取数据。
• 测试夹具 ：采用Spectrum Science Model 5005 - TF单事件测试夹具，该夹具是一个可移动、安全设计的辐射测试夹具，符合ASTM F1192 - 88要求。它配备了涡轮分子泵系统、用于安装目标的旋转和平移机构、带有线性运动调节的源支架、用于存放辐射源的圆柱形硼化聚乙烯储存室以及用于数据采集和粒子识别的核仪器模块（NIM），还配备了一台IBM PC兼容计算机。
• 校准 ：对252Cf源进行校准，以确定α粒子以及重、轻离子的发射通量。通过将肖特基二极管探测器放置在距源1英尺处进行8分钟的暴露，获得分析仪每个通道的粒子计数。由于当时Spectrum Science测试夹具的校准程序不可用，无法为分析仪的通道分配能量来分析光谱，但观察到光谱的强度（计数数量）而非形状随距离变化，这表明被测器件受到的轰击遵循反距离平方定律。

4. 实验方法

• 实验流程 ：
  1. 选取21个来自同一批次的预筛选组件进行实验。
  2. 移除每个器件的外壳，并在所有辐照过程中短接引线。
  3. 用一个组件分析α辐射的影响，使用镅241（²⁴¹Am）源在0.5英寸的距离处暴露器件24小时，发现α辐射对晶体管的操作影响不显著，与重离子相比，α发射引起的损伤可忽略不计。
  4. 将其余组件分为两组，每组10个。一组组件暴露于已知通量的252Cf辐射下，然后从测试夹具中取出，重新测试其增益和反向击穿电压等电气特性；另一组组件送往核设施进行中子辐射，以引起位移损伤。
  5. 在每次辐射暴露之间，重新测试器件，记录增益和击穿电压的任何明显变化。
  6. 辐射暴露完成后，再次测试器件，然后进行等温退火处理。

graph LR
    A[选取21个预筛选组件] --> B[移除外壳并短接引线]
    B --> C[分析α辐射影响]
    C --> D[组件分组]
    D --> E[252Cf辐射组]
    D --> F[中子辐射组]
    E --> G[测试电气特性]
    F --> G
    G --> H[多次辐射暴露与测试]
    H --> I[等温退火处理]

• 电气测量 ：通过测量集电极电流（Ie）和基极电流（IB）与基极电压（VBE）的关系，观察晶体管在辐射暴露后的性能。器件的增益（hre）定义为集电极电流与基极电流之比，即：
  [ h_{re} = \frac{I_C}{I_B} ]
  对一个晶体管进行250小时的252Cf试验暴露，在几个间隔点移除组件并记录其电气特性。结果表明，在注量达到1.40 x 10⁵cm⁻²（4小时）后，器件在1μA和峰值集电极电流下的增益显著下降，增益持续降低直到注量达到8.73 x 10⁹cm⁻²（约250小时）。尽管器件因辐射诱导的缺陷而受损，但在有足够基极驱动的情况下，仍可作为增益小于1的放大器件工作。

基于该器件的行为，对另外10个器件在暴露4、22、60和100小时后进行测试，每次暴露后移除组件并测量其电气参数。

5. 实验结果

• 辐照结果 ：

  • 绘制了252Cf辐照器件的倒数增益与注量的关系图，中子辐照器件也得到了类似的数据。这些器件明显遵循Messenger - Spratt关系：
    [ \frac{1}{h_{fe}} = \frac{1}{h_{fe0}} + K\varPhi ]
    其中，(\varPhi)是注量，(h_{fe})是动态共发射极增益，(h_{fe0})是初始（辐照前）共发射极增益，(K)是辐照引起的损伤因子。通过曲线的斜率可以得出252Cf辐照的损伤因子(K_{Cf})和中子辐照的损伤因子(K_n)。
  • 绘制了损伤因子(K_{Cf})和(K_n)与集电极电流的关系图，并与文献中3.7MeV质子和1MeV等效中子辐照的损伤因子数据进行比较。通过计算1μA集电极电流下的损伤因子，并求出每种粒子注量的损伤因子之比，确定了损伤相关因子。结果发现，252Cf与中子辐照的损伤相关因子(K_{Cf/n})为6310，252Cf与质子辐照的损伤相关因子为1400。这意味着在相同注量下，252Cf辐照造成的损伤比中子辐照大6000倍，比质子辐照大1400倍。
    |辐射类型对比|损伤相关因子|
    | ---- | ---- |
    |252Cf与中子辐照|(K_{Cf/n}=6310)|
    |252Cf与质子辐照|1400|

• 退火结果 ：

  • 对器件进行等温退火处理，将器件两两分组，在27、147、237、347或427°C的退火温度下进行退火，每个温度下分别保持10、100、1000和10000分钟。在每个时间段结束后，将器件冷却至室温并测量其电气性能。
  • 绘制增益与退火时间的关系图，发现以下特点：
    • 在427°C以下的温度，大部分增益改善发生在退火的前1000分钟。
    • 每个退火温度都有一个最大增益恢复（MGR），且MGR随温度升高而增加。
    • 在室温（27°C）和147°C退火时，增益恢复可忽略不计。
    • 在427°C退火约100分钟后，器件发生故障；在347°C也出现了一些长期增益退化现象。
    • 所有器件都未能恢复到辐照前的原始增益，这符合辐照后稳定损伤无法退火消除的预期。

使用Johnson - Mehl - Avrami（JMA）分析对数据进行分析，退火过程可表示为从缺陷材料到完美材料的转变，用转变程度坐标Y来表征，Y从退火开始时的0变化到无限时间时的1，定义为：
[ Y = \frac{\frac{1}{h_{fe}(t)} - \frac{1}{h_{fe,rad}}}{\frac{1}{h_{fe0}} - \frac{1}{h_{fe,rad}}} ]
其中，(h_{fe}(t))是退火时间的函数，(h_{fe,rad})是辐照后立即的增益，(h_{fe0})是器件的原始增益。Avrami关系表明，退火反应的程度可以建模为：
[ Y = 1 - exp[-kt^n] ]
其中，n称为Avrami指数，k是速率常数。通过对数据的分析，得出增益恢复过程的激活能约为0.17eV，这是典型的空位 - 间隙复合能量。

6. 研究结论与展望

本研究确定了252Cf源与中子辐射源引起的位移损伤的损伤相关因子为6310，与质子辐射的相关因子为1400。这表明在多个数量级的集电极电流范围内，可以确定252Cf辐照所需的剂量，以产生与特定中子或质子剂量相同的位移损伤。通过校准252Cf源的相关因子调整所需的辐射剂量，可得到等效辐照源的特定注量。

等温退火实验揭示了0.17eV的激活能，这一能量是空位 - 间隙复合的特征。研究结果表明，进一步开发252Cf作为实验室半导体器件辐射测试源是合适的。此外，在电离损伤、单事件翻转和离子诱导衬底电流等领域的研究也可能从使用252Cf实验室辐射源中受益。

252Cf作为实验室辐射源对半导体器件测试与分析的特性研究

7. 损伤相关因子的重要性

损伤相关因子在半导体器件辐射测试中具有关键作用。通过确定252Cf与中子、质子辐照的损伤相关因子，我们能够在实验室环境中更准确地模拟不同辐射源对半导体器件的影响。具体来说：
- 模拟不同辐射环境 ：在航空航天和国防等领域，半导体器件可能会受到多种辐射源的影响，如中子、质子等。利用损伤相关因子，我们可以使用252Cf源来模拟这些辐射环境，从而在实验室中对器件进行更全面的测试。
- 节省测试成本 ：传统的辐射测试需要使用昂贵的核加速器等设备，而252Cf源相对成本较低。通过损伤相关因子调整252Cf源的辐射剂量，我们可以在不损失测试准确性的前提下，大大降低测试成本。

以下是损伤相关因子在实际应用中的优势对比表格：
|对比项目|传统辐射测试|使用252Cf源测试|
| ---- | ---- | ---- |
|成本|高，需要昂贵的核加速器设备|低，252Cf源成本相对较低|
|测试灵活性|受限于特定的辐射源和设备|可以通过损伤相关因子模拟多种辐射环境|
|测试范围|可能无法全面模拟所有辐射情况|可以更全面地模拟不同辐射源的影响|

8. 退火过程的深入分析

退火过程对于恢复半导体器件的性能至关重要。通过对退火过程的深入分析，我们可以更好地理解器件在辐射后的损伤修复机制。
- Avrami关系的应用 ：Avrami关系提供了一种描述退火反应程度的数学模型。通过对实验数据的拟合，我们可以得到Avrami指数n和速率常数k，从而更准确地预测退火过程中器件性能的恢复情况。
- 激活能的意义 ：激活能是退火过程中的一个重要参数，它反映了空位 - 间隙复合的难易程度。本研究中得到的0.17eV激活能，表明在该半导体器件中，空位 - 间隙复合相对容易发生。这对于优化退火工艺具有重要指导意义，例如可以根据激活能选择合适的退火温度和时间。

下面是退火过程中关键参数的总结列表：
- Avrami指数n ：描述退火反应的动力学特征。
- 速率常数k ：反映退火反应的速率。
- 激活能E ：决定空位 - 间隙复合的难易程度。

9. 252Cf源的应用前景

252Cf源作为一种实验室辐射源，具有广阔的应用前景。除了在半导体器件辐射测试中的应用外，还可以在以下领域发挥作用：
- 电离损伤研究 ：252Cf源的发射光谱包含多种粒子，如中子、伽马射线等，这些粒子可以引起半导体器件的电离损伤。通过研究252Cf源对器件的电离损伤机制，我们可以开发出更有效的抗电离损伤技术。
- 单事件翻转研究 ：在空间环境中，半导体器件可能会受到高能粒子的轰击，导致单事件翻转现象。252Cf源可以模拟这种高能粒子环境，从而研究单事件翻转的发生机制和防护措施。
- 离子诱导衬底电流研究 ：离子诱导衬底电流是半导体器件中的一个重要问题，它可能会影响器件的性能和可靠性。利用252Cf源，我们可以研究离子诱导衬底电流的产生机制，从而采取相应的措施来降低其影响。

以下是252Cf源在不同领域应用的mermaid流程图：

graph LR
    A[252Cf源] --> B[半导体器件辐射测试]
    A --> C[电离损伤研究]
    A --> D[单事件翻转研究]
    A --> E[离子诱导衬底电流研究]

10. 总结与建议

本研究对252Cf作为实验室辐射源对半导体器件的测试与分析特性进行了深入研究。通过实验，我们确定了252Cf与中子、质子辐照的损伤相关因子，揭示了退火过程中的激活能，并探讨了252Cf源的应用前景。为了进一步推动252Cf源在半导体器件测试中的应用，我们提出以下建议：
- 优化252Cf源的使用 ：进一步研究252Cf源的发射特性，优化其辐射剂量和分布，以提高测试的准确性和可靠性。
- 拓展应用领域 ：开展更多关于252Cf源在电离损伤、单事件翻转和离子诱导衬底电流等领域的研究，为半导体器件的性能提升提供更多的技术支持。
- 建立标准测试方法 ：制定基于252Cf源的半导体器件辐射测试标准方法，促进该技术的广泛应用。

综上所述，252Cf作为实验室辐射源在半导体器件测试与分析中具有巨大的潜力。通过不断的研究和应用，我们有望在半导体器件的可靠性和性能提升方面取得更大的突破。