辐照半导体深能级瞬态谱的定量模拟方法及系统技术方案

本发明专利技术公开一种辐照半导体深能级瞬态谱的定量模拟方法及系统，属于半导体辐照技术领域，方法包括获取半导体及其辐照缺陷的性质参数；基于缺陷性质参数，确定退火模拟中缺陷类型和缺陷间反应路径；以半导体性质参数和辐照导致的PKA能谱作为输入条件，使用MC方法模拟获得初始点缺陷的空间分布；以初始点缺陷的空间分布作为初始条件，以缺陷性质参数和缺陷间的反应路径作为输入，使用OKMC方法模拟获取退火后存活缺陷的类型及其浓度；以存活缺陷的性质参数及其浓度作为输入，求解基于SRH理论的缺陷速率方程，并代入DLTS输出信号的理论公式，获得定量模拟的DLTS。本发明专利技术可定量地模拟辐照半导体的DLTS，并给出不同DLTS峰对应的微观缺陷类型及其具体占比。观缺陷类型及其具体占比。观缺陷类型及其具体占比。

【技术实现步骤摘要】
辐照半导体深能级瞬态谱的定量模拟方法及系统


[0001]本专利技术涉及半导体辐照
，具体涉及一种辐照半导体深能级瞬态谱的定量模拟方法及系统。

技术介绍

[0002]当半导体器件服役在空间、核能等辐照环境时，会遭受高能粒子辐照，常常会导致半导体中的晶格原子离位，在半导体中产生初始点缺陷(自间隙和空位)，这些点缺陷会与半导体中存在的杂质发生复杂的相互作用，并经过发生长时间地演化，演生出不同类型的复杂缺陷。这些不同类型的缺陷的基本性质一般有较大差异，对半导体器件性能的影响也各不相同。有的不会对半导体器件性能造成影响，有的会散射载流子，导致半导体中载流子迁移率等电学性质发生变化，有的则会在半导体带隙中引入缺陷能级，并通过这些缺陷能级捕获和发射载流子(电子和空穴)，导致半导体器件性能退化甚至永久失效。因此，鉴定辐照下半导体中缺陷的类型，明确对半导体器件性能产生严重影响的缺陷类型，对于理解半导体器件性能退化机制和器件抗辐照加固设计具有非常重要的意义。
[0003]深能级瞬态谱(Deep level transient spectroscopy，DLTS)，作为目前研究缺陷性质最常用和最有力的实验手段之一，可以对半导体中深能级缺陷的鉴定提供了极大帮助。它通过测量在不同温度下pn结或肖特基结在反偏压下电容的变化，来探测缺陷的浓度、载流子捕获截面和缺陷能级位置等重要的深能级缺陷性质。然而，它却无法将测量得到的不同DLTS峰和具体的微观缺陷对应起来，无法明确缺陷具体类型，也无法确定缺陷的组成和结构。而以密度泛函理论(Density functional theory，DFT)为代表原子尺度的理论模拟方法，则可以从原子层面出发，给出缺陷的具体类型、组成和结构。因此，亟需开展DLTS的理论模拟，来进一步明确辐照半导体中具体微观缺陷类型。
[0004]然而，相关文献所涉及的模拟方法仅仅是依靠DFT计算得到的缺陷能级和载流子捕获截面来定性模拟DLTS，只能给出缺陷在DLTS上的峰位，不能定量给出每种缺陷对应的峰强及其在DLTS峰中所占比例，从而使得在缺陷鉴定时，只能参考缺陷的能级，而无法参考缺陷的浓度，导致缺陷鉴定极易出现偏差。
[0005]相关技术中，公开号为CN106528493B的专利技术专利公开了一种有效分离DLTS测试信号的数值模拟方法，该方法通过对化合物半导体肖特基势垒的DLTS信号进行数值模拟，可以有效分离数个相互耦合的深能级缺陷。但该方法是通过理论计算来拟合DLTS实验以达到分离深能级瞬态谱中耦合的深能级缺陷的目的，而不是理论模拟DLTS。此外，虽然该方法也可以分离出DLTS信号对应的数个深能级缺陷，但该方法只能给出分离的深能级缺陷的能级差异，而无法给出它们对应的微观缺陷的具体类型。
[0006]因此，如何对辐照半导体DLTS进行定量模拟，明确鉴定出DLTS信号对应的微观缺陷类型，是目前急需解决的问题。

技术实现思路

[0007]本专利技术所要解决的技术问题在于如何定量地模拟出辐照半导体DLTS，并给出辐照半导体DLTS信号所对应的微观缺陷类型。
[0008]本专利技术通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：
[0009]一方面，本专利技术提出了一种辐照半导体深能级瞬态谱的定量模拟方法，所述方法包括：
[0010]获取半导体的性质参数及其辐照缺陷性质参数；
[0011]基于所述辐照缺陷性质参数，确定退火模拟中的缺陷类型和缺陷间的反应路径；
[0012]以所述半导体的性质参数和辐照导致的初级撞出原子(primary knock
‑
on atom，PKA)能谱作为输入条件，使用蒙特卡洛(Monte Carlo，MC)方法模拟获得初始点缺陷的空间分布；
[0013]以所述初始点缺陷的空间分布作为初始条件，以所述辐照缺陷性质参数和所述缺陷间的反应路径作为输入，使用实体动力学蒙特卡洛(Object kinetic Monte Carlo，OKMC)方法模拟获取退火后存活缺陷的类型及其浓度信息；
[0014]以所述存活缺陷的性质参数及其浓度信息作为输入，求解基于Shockey
‑
Read
‑
Hall(SRH)理论的缺陷速率方程，得到不同时刻被载流子占据的深能级缺陷浓度；
[0015]将不同时刻被载流子占据的深能级缺陷浓代入DLTS输出信号的理论公式，获得定量模拟的DLTS。
[0016]本专利技术首先获取辐照缺陷的基本性质，然后运用MC和OKMC方法模拟缺陷退火，得到退火后存活缺陷的浓度，接着计算基于求解基于SRH理论的缺陷速率方程，并将求解结果代入DLTS输出信号的理论公式，定量模拟DLTS；本方法可以给出不同DLTS信号对应的微观缺陷类型、不同缺陷DLTS信号的相对强度以及不同缺陷在耦合的DLTS信号中所占比例。
[0017]进一步地，所述辐照缺陷性质参数包括缺陷形成能、迁移能、能级位置、载流子捕获截面和结合能，所述基于所述辐照缺陷性质参数，确定退火模拟中的缺陷类型和缺陷间的反应路径，包括：
[0018]基于所述辐照缺陷性质参数，确定退火模拟中的缺陷类型包括所有本征点缺陷和结合能大于1.0eV的缺陷团簇；
[0019]基于反应前缺陷形成能和反应后缺陷形成能之差大于1.0eV准则，确定缺陷间的反应路径。
[0020]进一步地，所述基于SRH理论的缺陷速率方程的数学形式为：
[0021][0022]其中，t为时间；为被电子或空穴占据而带上电荷j
‑
1或j+1的深能级缺陷X；为T温度下，t时刻时，被电子或空穴占据的深能级缺陷的浓度；为T温度下，电子或空穴的热运动速度；为级联内带电缺陷X
j
在温度为T时，捕获电子或空穴的截面；n
e/h
为电子或空穴的浓度；(t,T)为T温度下，t时刻时，被电子或空穴占据的深
能级缺陷X
j
的浓度；N
C/V
(T)为T温度下，导带底或价带顶有效态密度；为T温度下，带电深能级缺陷发射电子或空穴到导带底/价带顶的激活能；k
B
为玻尔兹曼常数。
[0023]进一步地，以所述存活缺陷的性质参数及其浓度信息作为输入，求解基于SRH理论的缺陷速率方程，得到不同时刻被载流子占据的深能级缺陷浓度，包括：
[0024](a)根据所述存活缺陷的类型及其浓度信息，构建待模拟深能级缺陷能级列表，并确定模拟DLTS的温度区间，其中，所述待模拟深能级缺陷能级列表中的缺陷为退火后存活的缺陷且带隙中贡献了缺陷能级；
[0025](b)计算所述温度区间内不同温度下的载流子热运动速度和半导体导带底或价带顶有效态密度N
C/V
(T)；
[0026](c)从所述待模拟深能级缺陷能级列表中读入一个缺陷能级，并输入该缺陷能级不同温度下的载流子捕获截面和载流子发射的激活能；
[0027](d)以所述浓度信息作为被载流子占据的深本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种辐照半导体深能级瞬态谱的定量模拟方法，其特征在于，所述方法包括：获取半导体的性质参数及其辐照缺陷性质参数；基于所述辐照缺陷性质参数，确定退火模拟中的缺陷类型和缺陷间的反应路径；以所述半导体的性质参数和辐照导致的PKA能谱作为输入条件，使用MC方法模拟获得初始点缺陷的空间分布；以所述初始点缺陷的空间分布作为初始条件，以所述辐照缺陷性质参数和所述缺陷间的反应路径作为输入，使用OKMC方法模拟获取退火后存活缺陷的类型及其浓度信息；以所述存活缺陷的性质参数及其浓度信息作为输入，求解基于SRH理论的缺陷速率方程，得到不同时刻被载流子占据的深能级缺陷浓度；将不同时刻被载流子占据的深能级缺陷浓代入DLTS输出信号的理论公式，获得定量模拟的DLTS。2.如权利要求1所述的辐照半导体深能级瞬态谱的定量模拟方法，其特征在于，所述辐照缺陷性质参数包括缺陷形成能、迁移能、能级位置、载流子捕获截面和结合能，所述基于所述辐照缺陷性质参数，确定退火模拟中的缺陷类型和缺陷间的反应路径，包括：基于所述辐照缺陷性质参数，确定退火模拟中的缺陷类型包括所有本征点缺陷和结合能大于1.0eV的缺陷团簇；基于反应前缺陷形成能和反应后缺陷形成能之差大于1.0eV准则，确定缺陷间的反应路径。3.如权利要求1所述的辐照半导体深能级瞬态谱的定量模拟方法，其特征在于，所述基于SRH理论的缺陷速率方程的数学形式为：其中，t为时间；为被电子或空穴占据而带上电荷j
‑
1或j+1的深能级缺陷X；为T温度下，t时刻时，被电子或空穴占据的深能级缺陷的浓度；为T温度下，电子或空穴的热运动速度；为级联内带电缺陷X
j
在温度为T时，捕获电子或空穴的截面；n
e/h
为电子或空穴的浓度；为T温度下，t时刻时，被电子或空穴占据的深能级缺陷X
j
的浓度；N
C/V
(T)为T温度下，导带底或价带顶有效态密度；为T温度下，带电深能级缺陷发射电子或空穴到导带底/价带顶的激活能；k
B
为玻尔兹曼常数。4.如权利要求3所述的辐照半导体深能级瞬态谱的定量模拟方法，其特征在于，所述以所述存活缺陷的性质参数及其浓度信息作为输入，求解基于SRH理论的缺陷速率方程，得到不同时刻被载流子占据的深能级缺陷浓度，包括：(a)根据所述存活缺陷的类型及其浓度信息，构建待模拟深能级缺陷能级列表，并确定模拟DLTS的温度区间，其中，所述待模拟深能级缺陷能级列表中的缺陷为退火后存活的缺陷且带隙中贡献了缺陷能级；(b)计算所述温度区间内不同温度下的载流子热运动速度和半导体导带底或价
带顶有效态密度N
C/V
(T)；(c)从所述待模拟深能级缺陷能级列表中读入一个缺陷能级，并输入该缺陷能级不同温度下的载流子捕获截面和载流子发射的激活能；(d)以所述浓度信息作为被载流子占据的深能级缺陷的初始浓度，并设定未被载流子占据的深能级缺陷初始浓度，使用开源的微分方程求解器lsoda，从低温到高温依次求解所述温度区间内不同温度下读入的缺陷能级所对应的所述基于SRH理论的缺陷速率方程，获得不同温度下不同时刻被载流子占据的深能级缺陷浓度；循环(c)和(d)，直至所述待模拟深能级缺陷能级列表里所有缺陷能级对应的基于SRH理论的缺陷速率方程全部求解完毕。5.如权利要求4所述的辐照半导体深能级瞬态谱的定量模拟方法，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾雉，刘俊，高扬，陆广宝，张传国，李永钢，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：