ICS31.080.01

L40

團體標準

JH/CIEXXX-202X

輻射誘生缺陷的深能級瞬態譜測量方法

Measurementmethodofradiationinducedtrapsbydeepleveltransient

spectroscopy

（征求意見稿）

（本草案完成時間：2022.5.20）

在提交反饋意見時，請將您知道的相關專利連同支持性文件一并附上。

202X-xx-xx發布202X-xx-xx實施

中國電子學會發布

JH/CIEXXX-202X

輻射誘生缺陷的深能級瞬態譜測量方法

1范圍

本文件給出了利用深能級瞬態譜測試輻射誘生缺陷的試驗方法和程序。本文件只適用于基于電

容瞬態測量的深能級瞬態譜測試。

本文件適用于包含P-N結、肖特基結、MOS結構的半導體器件中輻射誘生深能級缺陷的測試。

本文件未給出半導體器件輻照試驗的相關方法和流程，只針對輻照后器件的深能級缺陷的測量。

2規范性引用文件

下列文件中的內容通過文中的規范性引用而構成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用

文件，僅該日期對應的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）

適用于本文件。

GB/T32304-2015航天電子產品靜電防護要求

GJB1649-1993電子產品防靜電放電控制大綱

GJB2712A-2009裝備計量保障中測量設備和測量過程的質量控制

GJB128A-1997半導體分立器件試驗方法

GJB548B-2005微電子器件試驗方法和程序

3術語和定義

GJB128A-1997、GJB548B-2005確定的以及下列術語和定義適用于本文件。

3.1

復合中心

半導體中對非平衡載流子壽命的長短起決定性作用的雜質和缺陷稱為復合中心。復合中心可以

同時俘獲導帶電子和價帶空穴，從而促進載流子的復合，顯著降低載流子壽命。

3.2

陷阱中心

半導體中有顯著積累非平衡載流子作用的雜質和缺陷能級稱為陷阱中心。陷阱中心對電子和空

穴的俘獲概率有很大差異，只對一種載流子表現出顯著俘獲作用。

3.3

深能級缺陷和淺能級缺陷

按照缺陷能級在帶隙中的位置，大致可將陷阱分為深能級缺陷和淺能級缺陷。能級位置靠近帶

隙邊緣（導帶底或價帶頂）的缺陷，稱為淺能級缺陷。而深能級缺陷通常距離帶隙邊緣較遠，靠近

帶隙中間位置。深能級缺陷可以作為復合中心和陷阱中心。

注：部分深能級缺陷也可能距離帶隙邊緣較近。

3.4

深能級瞬態譜DeepLevelTransientSpectroscopy（DLTS）

1

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一種通過對pn結、肖特基結、MOS結構等樣品空間電荷區溫度掃描下的瞬態電容測試，實現半

導體禁帶寬度范圍內深能級的位置、陷阱濃度和陷阱中心對載流子的俘獲截面等參數檢測的技術手

段。

3.5

缺陷濃度TrapDensity

單位體積內深能級缺陷的數量。

3.6

缺陷能級TrapEnergyLevel

描述缺陷在半導體禁帶中的位置，一般以導帶底或價帶頂作為參考。

3.7

缺陷俘獲截面TrapCaptureCrossSection

描述缺陷對載流子的俘獲概率。

4一般要求

4.1試驗人員

試驗人員應掌握半導體器件的基礎知識，了解輻射效應的原理和基礎知識，了解深能級瞬態譜

的測試方法和測試原理，并且經過培訓持證上崗。

4.2儀器與設備

所使用的儀器和設備應按照GJB2712-1996中第4章的要求進行校準。

用于深能級瞬態譜測試的設備應該包括如下模塊和功能：

4.2.1電流-電壓測試模塊

實現待測樣品的電壓/電流加載、電壓/電流測量、I-V曲線測試等。

4.2.2脈沖發生模塊

用于提供DLTS測試所需的脈沖信號，改變測試樣品中空間電荷區缺陷的填充狀態。該脈沖信號

可以是電壓脈沖、光脈沖等。

4.2.3電容測試模塊

實現待測樣品的C-V曲線和電容瞬態曲線的測試。

4.2.4溫度控制模塊

實現待測樣品處溫度的精確控制和測量，溫度控制精度應不低于±0.1K。

建議可控溫度范圍覆蓋15K~450K。

4.2.5真空樣品臺

樣品臺用于安裝待測樣品，為樣品測試提供真空恒溫環境，并為樣品提供電連接引出。

2

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由于整個測試過程中要實現大范圍的變溫，樣品應全程處于真空環境中。真空氣壓應低于1×10-

5Pa。

4.3試驗環境

試驗環境要求如下：

a)相對濕度：20%～80%；

b)靜電防護滿足GJB1649-1993、GB/T32304-2015的規定；

c）避免震動劇烈的環境；

d）測試時樣品避免外界壞境光照。

5試驗方法

5.1試驗目的

通過試驗測量半導體器件中輻射誘生深能級缺陷的分布，獲得缺陷濃度、缺陷能級、俘獲截面

等信息，評估輻射損傷導致的缺陷狀態的變化。

5.2試驗計劃

試驗前需要制定試驗計劃，試驗計劃至少需要包括以下幾方面的內容：

——試驗名稱；

——器件信息：器件名稱、結構、型號、生產商、樣品編號；

——器件結構：肖特基結、pn結、MOS等；

——DLTS測試類型：C-DLTS、電脈沖激發模式、光脈沖激發模式等；

——反向偏置電壓、脈沖條件、瞬態測試時間等；

——溫度掃描區間；

——其它需要說明問題。

5.3試驗樣品

深能級瞬態譜測試時對被測器件總電容有明確要求，待測樣品的電容不能超過電容測試設備允許

測試的電容上限。另外，待測樣品電容越小，電容瞬態曲線測試精度越高。因此應盡量選用小電容樣

品開展試驗。

至少需要同批次的2只樣品進行試驗，其結果可以相互驗證。排除因人為損傷、樣品處理等因素

造成對缺陷測試結果的影響。

試驗前要對樣品編號，進行拍照，并記錄出廠標示。

5.4試驗程序

a）樣品安裝

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將被測器件固定到樣品臺，通過引線將被測樣品的端口（如肖特基結或P-N結的陰極和陽極）分

別連接到測試模塊。

通過測試電容來檢測引線與被測樣品是否接觸良好。如果測試電容值不正常，則說明接觸不良，

應重新調整引線與器件端口的接觸，直到測試電容值正常。

b）室溫下I-V和C-V測試

被測樣品的I-V、C-V特性測試，判斷樣品的極性，選取合適的反向偏置電壓。以P-N結為例，反

向偏置電壓應選取為耗盡區未達到最大，電容隨電壓呈線性變化的區域。

c）室溫下電容瞬態測試

使待測樣品處于反向偏置狀態（其內部P-N結或肖特基結反偏），脈沖生成模塊在樣品兩端施加

一個正向瞬態電壓脈沖（或光脈沖）。該脈沖信號會改變結區缺陷能級的填充狀態，從而導致空間電

荷區電容的變化。電容測試模塊測試電壓脈沖后電容的瞬態變化曲線。

調整正電壓脈沖寬度、脈沖后的電容測試時間等參數，重復上述測試。直到選取的測試條件保證

電容瞬態曲線呈現近似指數變化。

d）樣品環境設置

正式測試開始前，應讓樣品臺處于真空環境。

確定測試時的溫度掃描范圍，將樣品溫度降至溫度掃描范圍內的最低溫度。

e）溫度掃描測試

溫度從掃描范圍內的最低溫度逐漸上升至最高溫度。設置合適的溫度步長，在不同步進溫度下重

復開展脈沖激發的電容瞬態測試，并保存電容瞬態曲線。

f）結束測試

測試完成后，待樣品處溫度恢復至室溫后，取出樣品。

5.5數據處理

將不同溫度下測試得到的電容瞬態曲線轉化為隨溫度變化的DLTS信號譜，具體轉化方法參見附

錄A。深能級陷阱在DLTS信號譜上表現為一個正（多數載流子陷阱）或負（少數載流子陷阱）的信

號峰。在每個峰值位置可以獲取對應深能級陷阱的一組（發射時間常數te，溫度T）值。其中，電子

熱發射時間常數te為缺陷能級ET、電子俘獲截面σn和溫度T的函數。

通過構建不同的相關函數或率窗，可以給出不同的隨溫度變化的DLTS信號譜，從而提取得到多

組（te，T）值。基于多組（te，T）值擬合得到陷阱中心的發射時間常數隨溫度的變化關系，即阿倫

尼烏斯曲線。該曲線最終給出了缺陷能級和俘獲截面等關鍵信息，具體參見附錄A。

6試驗報告

試驗報告至少應包括下述內容：

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a)試驗測試系統描述；

b)試驗日期、參加試驗人員、試驗所處的環境溫度和濕度；

c)試驗樣品類型、型號、生產商、封裝形式、生產批號等；

d)DLTS測試類別：電激發DLTS、光激發DLTS等；

e）DLTS測試條件：反偏狀態、脈沖條件、溫度掃描范圍等；

f)數據處理過程；

g)深能級瞬態信號譜曲線，阿倫尼烏斯曲線，缺陷能級、濃度及俘獲截面等；

h）對試驗中出現的異常現象的分析。

附錄B和附錄C分別給出了基于深能級瞬態譜的缺陷測量試驗數據記錄表格和試驗報告范例。

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附錄A

（資料性）

深能級瞬態譜的缺陷測試原理

以一個PN結測試樣品為例，DLTS的測試波形如圖A.1所示。當待測PN結上施加一個反偏電壓Vr

時，結區電容可表示為：

ee0e(ND?NA)

C0=A………………(A.1)

2(Vr+Vd)

其中，A為結區面積，ND-NA為空間電荷區凈電荷密度，Vd為空間電荷區內建電場。此時，對于N型

半導體中的多子缺陷能級ET，其在費米能級EF以下的部分被電子填充，而在空間電荷區內ET能級位

于EF以上的部分無電子填充，如圖A.2所示。

圖A.1DLTS的測試波形

隨后PN結上加一個時間為timp的正向脈沖。空間電荷區內缺陷能級ET降到EF以下，缺陷能級被電

子填充。在正向脈沖移除恢復反向偏壓的瞬間，空間電荷區內缺陷能級ET重新上升到EF之上，但由

于填充的電子來不及釋放，會導致結區電容的變化為：

ee0e(ND?NA)ee0e(ND?NA+Nt)Nt

DC=A?A?C0…………(A.2)

2(Vr+Vd)2(Vr+Vd)2(ND?NA)

假設在正向脈沖期間，所有的缺陷都被電子填充，則可以根據上式計算缺陷濃度為：

2DC

Nt=(ND?NA)……(A.3)

C0

隨著缺陷能級填充電子的熱發射，可以測試得到電容C隨時間t變化的電容瞬態曲線。電容瞬態曲

線滿足如下關系：

C(t)=C0??Cexp(?t/te)=C0??Cexp(?ent)………………(A.4)

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其中，te為對應相應缺陷能級的發射時間常數；en為熱發射率。由上式可知，隨著時間t的增加，

陷阱能級的填充電子逐漸發射，C(t)逐漸趨近于C0。熱發射率en是溫度的函數，會隨著溫度的增加而

增加。因此，在高溫下電容瞬態曲線會更快的趨近C0，如圖A.1所示。

圖A.2DLTS測試原理。（a）加反向偏壓時PN結的能帶圖；（b）加正向脈沖時的PN結能帶圖；

（c）正向脈沖移除后恢復反向偏壓瞬間的PN結能帶圖

基于相關函數技術，可以將不同溫度下測試得到的C~t曲線轉換為DLTS信號譜，并提取缺陷能級

填充電子的熱發射率en。圖A.3以Box-car相關函數為例給出了由不同溫度下的電容瞬態曲線獲取

DLTS信號譜的方法。Box-car相關函數為：

1,t=t1

F(t)=?1,t=t2…………(A.5)

0,t≠t1∩t≠t2

則對應的DLTS信號譜為：

T

1W1

==………………(A.6)

DLTS∫F(t)C(t)dt(C(t1)-C(t2))

TW0TW

其中，TW為電容瞬態測試的總時間。由圖A.3可以看到，上述DLTS譜在高溫區和低溫區趨近于0，而

在中間溫度區會出現一個峰值。上述DLTS譜函數在溫度T處存在峰值，令

dDLTS

=0………………(A.7)

den

可得到峰值位置處對應的發射率en，即

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t

ln2

t

e=1/t=1…………(A.8)

ne?

t2t1

其中，電子熱發射率en為缺陷能級ET、電子俘獲截面σn和溫度T的函數：

1EECT?

en==σnvth,nXNncexp(?)………………(A.9)

tekT

其中，Nc為導帶底有效狀態密度，vth,n為電子熱速度，Xn為熵因子。對式（A.9）兩邊取對數可得到：

EE?1

ln(tσvN)=CT?ln(X)…………(A.10)

eth,nCkTnn

圖A.3基于相關函數的DLTS信號譜獲取技術

通過構建不同的相關函數或率窗，可以基于不同溫度下的電容瞬態曲線獲取多組DLTS信號譜，

從而提取多組（te，T）值。根據多組（te，T）值可擬合得到陷阱中心的發射時間常數隨溫度的變化

關系，即阿倫尼烏斯曲線，如圖A.4所示。根據式（A.10），由阿倫尼烏斯曲線的斜率可以計算得到

缺陷能級EC-ET，由曲線與y軸的截距可計算得到俘獲截面σn。

圖A.4基于阿倫尼烏斯曲線提取陷阱能級和俘獲截面

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附錄B

（資料性）

基于深能級瞬態譜的缺陷測量試驗數據記錄表格

試驗信息

試驗地點：試驗名稱：

試驗時間：試驗人員：

樣品信息

樣品名稱：器件類型：

樣品型號：樣品尺寸：

樣品編號：樣品結構：

電容值：其它：

樣

品缺陷濃缺陷能

測試條件開始時間結束時間缺陷俘獲截面備注

編度級

號