硅衬底辐照损伤噪声测试样品研究

论文摘要

硅半导体材料作为IC主要的衬底材料,对其性能及辐照损伤的研究已有五十多年的历史。随着微电子工艺的发展,对硅衬底材料提出了越来越高的要求。但现有的研究方法均存在一定的局限性,迫切需要一种灵敏、快速、无损的研究手段。基于低频噪声的表征技术即具有上述的优点,而被广泛应用于半导体材料及器件的可靠性表征及寿命预测。硅衬底材料的辐射效应主要表现为少子寿命衰减和多子去除效应。在硅单晶太阳能电池中,硅衬底材料为器件的基区。本论文选用硅单晶太阳能电池器件,对辐照前后的电学参数和噪声参数进行测量,发现硅衬底材料的辐照损伤与电池的性能密切相关。实验发现,随辐照总剂量的增加,光电池的电参数与噪声参数均发生变化并有较好的对应关系。电参数的衰减与基区的少子寿命密切相关,主要表现为光电流减小,暗电流增加。噪声参数与势垒区的复合效应密切相关,主要表现为频率指数基本不变,噪声幅值呈增大趋势。在实验的基础上,建立了硅衬底材料辐照损伤的电学模型和噪声模型。由上面的实验和理论分析,发现衬底对器件的性能有明显的影响。到目前为止,关于1/f噪声的理论和模型各不相同,但是都是建立在两个基本涨落机制基础上,一个是载流子数涨落机制,另一个是载流子迁移率涨落机制。太阳能电池辐照损伤可以用数涨落模型解释,因此研究衬底辐照损伤的载流子数涨落问题时可以选用太阳能电池样品。为了考察衬底辐照损伤的迁移率涨落问题,本文设计了衬底电阻样品。通过理论分析,发现衬底电阻样品的噪声参数与样品的掺杂和几何参数密切相关。本论文主要从掺杂浓度和几何参数两个方面考虑样品的设计。理论模型和样品的设计需作下一步的流片进行实验验证。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 本论文主要研究内容
• 第二章 硅衬底材料辐射效应及噪声产生机理
• 2.1 硅衬底材料基本概念
• 2.1.1 硅衬底材料结构及特性
• 2.1.2 硅衬底材料相关工艺
• 2.1.3 硅材料及集成电路的发展
• 2.1.4 硅衬底材料质量及对器件的影响
• 2.2 辐射效应的基本概念
• 2.2.1 辐射的基本概念
• 2.2.2 材料辐射效应发展简史
• 2.2.3 辐射损伤机理
• 2.3 噪声产生机理
• 2.3.1 噪声概述
• 2.3.2 1/f噪声产生机理
• 2.3.3 低频噪声诊断半导体器件可靠性
• 第三章 硅衬底材料辐射效应实验
• 3.1 实验样品
• 3.1.1 太阳能电池样品
• 3.1.2 传统电学参量表征
• 3.1.3 太阳能电池的辐照损伤
• 3.2 辐照实验
• 3.2.1 实验方案
• 3.2.2 电学参数测试系统
• 3.2.3 低频噪声测试系统
• 3.3 实验结果及分析
• 3.3.1 辐照前后电参数的变化
• 3.3.2 辐照前后低频噪声的变化
• 3.3.3 电学参量与噪声参量的比较分析
• 第四章 辐照损伤表征模型和测试样品设计
• 4.1 硅衬底材料辐照损伤电学模型
• 4.1.1 硅衬底材料辐照损伤电学模型
• 4.1.2 实验验证
• 4.2 硅衬底材料辐照损伤噪声模型
• 4.2.1 太阳能电池噪声模型
• 4.2.2 太阳能电池辐照损伤噪声表征模型
• 4.3 硅衬底材料噪声测试样品设计
• 4.3.1 设计的理论依据
• 4.3.2 样品设计
• 4.3.3 设计规范
• 4.3.4 样品结构与验证
• 第五章 结论与展望
• 5.1 论文结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在读研期间的成果