单粒子栅击穿实验的优化测试方案

对功率MOSFET器件来说，单粒子栅击穿（SEGR）的测试与单粒子烧毁（SEB）测试在基本测试要求及测试系统组成方面大致相同，不同之处主要是附加VDS、IDS、VGS、IGS检测，特别是针对栅极漏电流及源极漏电流，测试过程需要实现精确的自动检测和测量。在测试系统设计中，首先考虑在试验中所有测试样品都需要在加速器试验终端实现电性能的原位测试，如栅源电压（VGS）施加和测试、漏源电压（BVDSS）施加和测试、栅源电流（IGS）和漏源电流（IDS）测试以及专门针对栅源漏电流（IGSS）等的测试。按照实现测试的基本要求，

测量仪器主要应包括电流/电压源（Keithley 2400）、栅源电压和栅源漏电流测试仪器（满足一定精度要求，如小于1 nA的精度需求等）和远程测控及数据获取系统。图4-38为针对功率MOSFET器件的SEGR的基本测试原理示意图。

图4-38　SEGR的基本测试原理示意图

在设计SEGR测试电路时，一般应基于具体航天器电子设备的具体应用设计需求，实现最坏情况下状态的测试。如果在实际任务中包括有多种应用，那么每个应用状态都需要测试或每个应用状态的最坏情况应当识别出来并开展测试试验。例如，较高偏置电压、较高工作温度、较高占空因数及较低应用容许极限等都是SEGR测试中遇到的最坏条件之一。

一般来说，测试电路中包括许多的电阻、电容及电导等，这些都会影响SEGR单粒子效应特性的测试，原则上，这些参数应当都进行相关测量或至少对测试系统的影响达到最小。这样一来，在测试系统的电连接设计中，最好减少所有连接电缆的总长度，以降低相关测试参数的变化。电源应尽可能靠近测试现场，且连接电缆长度最小。对电源和测控计算机而言，重离子加速环境不会产生大量的辐射而诱发总剂量效应，从而影响到单粒子效应测试，然而，在质子加速器环境下，质子束将产生一个重要的中子辐射背景。如果电源不能远程操作，那么电缆带来的影响应该在试验测试过程中引起一定的注意。

在测试系统设计中，对器件SEB的测试也应当同时兼顾考虑，实际上，一般在测试系统设计中，综合考虑了同时实现SEB和SEGR的测试要求。待测器件DUT和子板的测试板（如果使用）将带来一定的电容效果，其可能作为一个旁路或者形成一个加强电容器，这将提高SEB的敏感性。因此，如果增加了任何电感来延缓SEB，附加的板电容会增强这一效果。附加电容可以过滤掉电荷收集引起的噪声或瞬态事件。如果试验中要观察这些事件，则应在电容之前放置测试探针，或尽量使电路板引入的电容最小化。当然，测试探针电缆和示波器都应当是低电阻和低电容特性。测试电缆也将会诱生一定数量的电感，这将延缓SEB效应和瞬态现象。如果测试需要，应附加加强电容以提高SEB测试的灵敏度，为此目的，至少使用250 μF的电容。

在试验测试中发现，表征单粒子栅击穿发生阈值电压的最佳方式是（VDS，VGS）的组合方式，在测试系统设计中，为了实现测试目标及加固保障试验评估，要考虑偏置电压（VDS，VGS）的加置方式，如VDS从高到低逐渐加置，但VGS的加置采用循环加置方式，即从低逐渐增高，然后从高逐渐降低的循环加置方式，反之，VDS的加置采用循环加置方式。表4-1和表4-2给出了多个（VDS，VGS）组合的测试方式，在测试系统设计时可以参照实行这种（VDS，VGS）组合的偏置加置方式。

表4-1　（VDS，VGS）组合的测试方式（SEB敏感）　V

表4-2　（VDS，VGS）组合的测试方式（SEB不敏感）　V

一个典型SEGR的测试流程主要包括以下几个方面。

（1）离子束辐照前：a.选择或设定一个栅电压VG值；b.收集束流照射前的I-V特性数据；c.加置束流照射状态下的应力电压；d.验证氧化层泄漏电流是否处于稳定状态。

（2）在读出电流稳定状态下，开始重离子束照射。a.重离子束照射过程检测电流变化；b.记录试验数据集；c.重离子束照射过程辨识SEGR特征。

（3）束流挡板关闭后，继续一段时间的泄漏电流测量记录，确定无重离子照射期间泄漏电流的稳定特性。a.收集照射后的I-V特性数据；b.辨识SEGR特征。

（4）如果未出现SEGR，设置下一个VG值后继续试验测试。

（5）如果状态不稳定，选择新的器件模块。

（6）记录每次试验的总剂量数据。

（7）样品标记。(www.xing528.com)

（8）开始数据分析。

图4-39所示为SEGR测试试验流程图。

图4-39　SEGR测试试验流程图

下面介绍另一种SEGR基本测试电路的设计举例。图4-40为针对功率MOSFET器件的SEGR的基本测试电路组成示意图。测试系统包含的主要测试仪器包括供电电源（Agilent 6035A）、电流电压源（Keithley 2400，小于1 nA的精度）、数字多用表（HP34401A）及电流测量仪器等。这种测试方式在加速器终端设备上易于实现辐照过程的原位测量，所有试验样品在加速器终端设备上可以预先实现电性能的测试，包括原位的栅源电压（VGS）、漏源击穿电压（BVDSS）以及栅极漏电流（IGSS）。从图中也可以看出，数字多用表（HP34401A）在1 Ω的标准取样电阻两端连接，而确定漏极电流大小的电阻设置功率为50 W。

图4-40　SEGR的测试电路组成结构示意图

人们在开展SEGR试验测试研究工作中，不但理解和明确了SEGR产生的机理及过程，也在测试系统研制中积累了一些经验。下面介绍在测试系统设计及研制调试中应该注意和了解的一些细节性问题，在某些情况下，这些细小过程可能决定了一个试验的成功与否。

第一，在测试系统的基本构成中，电流测量仪器（一般用皮安计）主要用来监测和检测栅极电流和漏极电流的极小变化，测量的电流变化要求能够达到小于1 nA，如果设计中忽略了这一点，则可能影响准确观测SEGR现象。

第二，在测试板上，样品数目应尽量设置多一些，如10个样品数目以上；这样一来，可以减少在加速器终端的真空状态下更换样品的次数，从而可以增加有效试验时间（增加了束流净照射时间），可以在有限时间内，获得更多试验测试数据或完成更多样品数目的验证评估测试。

第三，为了实现样品在真空状态下的快速更换及减小对系统电性能参数的影响，特别是阻容性参数的影响，一般最好使用具有零插拔力（ZIF，Zero-Insertion-Force）插座；同时，在多个测试样品的电连接方式中，每个样品的漏极和栅极需保持严格的电绝缘及隔离，而源极可采用共地的连接方式。

第四，在测试板设计时，必须仔细对样品状态进行设计，避免在高电压状态和真空条件下，测试系统本身的寄生漏电流不能超过1×10-9 A。

第五，在样品所处的测试板设计中，所有电容器应当进行仔细的屏蔽处理，最后，在测试板安装于真空装置前，应要求一丝不苟地对污染物进行洁净处理。

在测控系统设计中，一般采用测控计算机和专用测控板来实现加电方式的控制和数据获取，就上述基本系统，可以采用带有专用测量处理板（如HP-82324B）的控制计算机系统，实现对DUT偏置电压、DUT的栅极电流和漏极电流的遥测控制和测量，在测控系统设计中，特别需要注意的是避免接地回路对低电流测量状态下的干扰问题。