单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,双极型器件的总剂量辐射效应与损伤机理,赵婷,2019,年,9,月,14,日,张婷,华南理工大学 电子与信息学院,双极型器件的总剂量辐射效应与损伤机理赵婷张婷,1,双极型器件的总剂量辐射效应与损伤机理课件,2,摘要,随着空间技术的发展，双极型器件和线性电路被广泛应用于辐射环境。,1,、从,钝化层辐射损伤机理,出发，介绍辐射诱生钝化层,固定电荷,与,界面态,的产生机理与计算模型。,2,、结合基极电流模型探讨双极型器件与电路的,总剂量辐射效应,。,3,、针对双极型器件的,低剂量率辐射损伤机理,与模型展开讨论。,摘要随着空间技术的发展，双极型器件和线性电路被广泛应用于辐射,3,面临的,问题？,器件将面临长时间、高能量、大剂量的,粒子辐射,，器件和电路性能将会,退化,，系统寿命显著,减少,。,本文的工作,从器件钝化层的辐射损伤机理出发，基于辐射诱生钝化层固定电荷与界面态，结合双极型器件的基极电流模型，探讨双极型器件的总剂量电离辐射效应，并针对双极型器件的低剂量率辐射损伤效应与机理展开讨论。,当双极型器件与线性电路应用于空间辐射环境时,面临的问题？当双极型器件与线性电路应用于空间辐射环境时,4,研究结果表明,:,双极型器件电离辐射敏感区域为,SiO,2,钝化层，辐射诱生氧化层陷阱电荷与界面态将影响器件的电学参数，如基极电流、直流增益等。,1,钝化层的辐射损伤机理与模型,双极型器件结构如图,1,所示,研究结果表明:双极型器件电离辐射敏感区域为SiO2钝化层，,5,钝化层的,总剂量辐射效应,可,分为,4,个过程,1.1,钝化层的辐射效应,当器件受到总剂量电离辐射时，钝化层将吸收能量并,产生,电子,-,空穴对，每对辐射诱生电子,-,空穴对所需能量为,171eV,。整个辐射过程中，部分电子,-,空穴对在短时间内,复合,;,电子在钝化层中迁移率较高,(,室温下约为,20 cm,2,v,-1,s,-1,),，未复合电子将在,ps,或更短时间内,漂移,出钝化层。空穴迁移率极低,(,室温下约为,10,-5,cm,2,v,-1,s,-1,),，相对电子较稳定。,一,钝化层的总剂量辐射效应可1.1 钝化层的辐射效应当器件受到总,6,二,辐射诱生空穴受外部电场和内建电场影响将逐渐向,Si/SiO,2,界面,输运，空穴在外加电场作用下通常为,跃迁输运,。空穴在钝化层内浅陷阱能级间的跃迁为一个,随机空间分布,过程，与外加电场、温度、氧化层厚度等有关，室温下将在,1s,内完成整个跃迁输运过程。,二辐射诱生空穴受外部电场和内建电场影响将逐渐向Si/SiO,7,三,在空穴向,Si/SiO,2,界面输运过程中，,部分空穴,可能被深能态中立陷阱,(,包括,E,，,中心、间隙氧施主中心,O,i,和三价硅施主中心,),捕获形成,氧化层固定电荷,，氧化层固定电荷将,造成,器件表面反型、增益减少和漏电流增加。,三在空穴向 Si/SiO2界面输运过程中，部分空穴可能被深,8,辐射诱生空穴的漂移过程中将,产生,部分氢离子,;,氢离子亦向,SiO,2,/Si,界面处跃迁。当,H,离子到达,SiO,2,/Si,界面时，其将使部分,SiH,键,断裂,，,形成,H,2,分子和三价硅陷阱，反应式：,SiH+H,+,Si+H,2,。,(1),辐射诱生界面态将影响器件的表面复合速率，并导致器件直流增益减小。,四,辐射诱生空穴的漂移过程中将产生部分氢离子;氢离子亦向 Si,9,考虑辐射诱生电子空穴对及钝化层内电子、空穴的电流密度，,空穴和电子的连续性方程,分别为,1.2,辐射诱生钝化层固定电荷的计算模型,式,(2),、,(3),中,:n,0,为单位剂量内氧化层中辐射诱生电子空穴对的数量,;D,为辐射剂量率,;,为电子,/,空穴复合逃逸率，其与氧化层内电场强度有关,;j,p,、,j,n,为自由空穴、自由电子的电流密度,;,p,、,n,为电子空穴复合速率，分别为,:,考虑辐射诱生电子空穴对及钝化层内电子、空穴的电流密度，空穴,10,式,(4),、,(5),中,:,p,为中立陷阱捕获空穴的捕获横截面,;,n,为电子与被捕获空穴的复合横截面,;N,T,为中立陷阱数量,;P,T,为被陷阱捕获空穴数量。若需考虑双极型器件的剂量率效应，则需对式,(4),与式,(5),进行修正，以考虑各种电子空穴的复合过程。,与式,(2),、,(3),相似，,钝化层内被中立陷阱捕获空穴的一维连续性方程,:,联解式,(2),(6),，即可得到钝化层内中立陷阱捕获空穴的数量。,式(4)、(5)中:p 为中立陷阱捕获空穴的捕,11,1.3,辐射诱生界面态的计算模型,基于钝化层内空穴、电子、,H,离子的一维连续性方程，可推导出辐射诱生界面态密度随总剂量的变化关系。空穴被陷阱捕获后释放出的,氢离子,(,质子,),的,连续性方程,为,:,式,(7),中，等式右边三项分别为自由空穴被陷阱捕获后释放的氢离子数目、氢离子流密度及氢离子与硅氢悬挂键反应的数目。,N,siH,与,N,it,分别为硅氢悬挂键及界面态密度，,j,H,为氢离子流密度,;,it,为氢离子与硅氢悬挂键反应的概率,(,横截面,),。,1.3 辐射诱生界面态的计算模型基于钝化层内空穴、电子、H离,12,式,(8),中，等式右边两项分别为界面态的生成数量及界面态随时间的退火数量。,it,为界面态的寿命。,联解方程,(2),(8),，即可得到辐射诱生钝化层,Si,界面处界面态密度随总剂量的变化关系。,辐射诱生界面态的连续性方程,为,:,式(8)中，等式右边两项分别为界面态的生成数量及界面态随,13,2,器件辐射损伤机理与模型,氧化层固定电荷将改变,Si,SiO,2,界面处的,电势,，使,P,型掺杂区域表面,耗尽乃至反型,，而,N,型掺杂区域表面,积累,。,P,型表面反型将导致器件漏电电流增加，击穿电压下降,;,而,N,型区域,(NPN,晶体管的基极和,PNP,晶体管的发射极,),耗尽将使得器件表面复合电流增加，基极电流上升，导致器件静态电流增益,随之下降。氧化层固定电荷与基极电流变化,I,B,关系为：,辐射诱生,氧化层固定电荷,与,界面态,都将对双极型器件的电学参数产生影响。,2 器件辐射损伤机理与模型氧化层固定电荷将改变SiSiO2,14,S,r,为表面复合速度，,KT,为热电势，,V,BE,为基射极电压，,N,ox,为氧化层净电荷密度，,=0.5 qniP,E,，,为,式,(10),中,:s,为表面势，取决于氧化层固定电荷密度,;n,i,为本征载流子密度,;P,E,为发射极周长,;y,为横向位置变量,;r,B,=1.44 y,B,。,Sr 为表面复合速度，KT 为热电势，VBE为基射极电压,15,辐射诱生,界面态,将影响器件基极发射极耗尽区的,表面复合速度,，如式,(11),式,(11),中,:v,th,为热速率,;,n,和,p,分别为电子与空穴的捕获横截面,;D,it,为界面态密度。,式,(12),中,:x,dB,为耗尽区宽度,;V,eff,为基射结有效电压。,双极型器件的基极电流,I,B,与表面复合速度,S,r,有关，如式,(12),界面态密度,D,it,表面复合速度,S,r,增加,器件复合基极电流,I,B,增加,器件静态电流增益,下降,辐射诱生界面态将影响器件基极发射极耗尽区的表面复合速度，如,16,基于器件辐射损伤机理，业界对不同结构双极型器件的总剂量辐射效应开展大量试验研究。,研究结果,衬底,PNP(SPNP),、横向,PNP(LPNP),和纵向,PNP(VPNP),器件的归一化电流增益随总剂量变化如图,4,所示。,与辐射前相比，,3,种器件,电流增益,均出现不同程度的,退化,，,VPNP,退化最小，,LPNP,退化最大。,基于器件辐射损伤机理，业界对不同结构双极型器件的总剂量辐射效,17,对于,LPNP,器件,，其有效基区位于发射极和集电极之间，电流沿表面横向流动，空穴在,LPNP,器件发射极向集电极的输运过程中，其,输运距离变长,，,复合概率增加,，因而,器件参数退化,最为严重。,而在,VPNP,器件,中，有效基区位于发射区下方，电流呈垂直输运，受表面效应影响不大,;,且器件发射区为重掺杂，因而受发射区耗尽与电子注入影响很小，故器件电学参数在辐射下退化较不明显。,对于 LPNP 器件，其有效基区位于发射极和集电极之间，电流,18,3,器件低剂量率辐射损伤机理与模型,双极型器件剂量率效应的试验结果如图,8,所示,双极型器件与线性电路在低剂量率辐照下电学参数的退化将,远大于,高剂量率辐照下电学参数的退化，此即为低剂量率辐射损伤增强效应,(Enhanced low dose rate sensitivity,，,ELDRS),。,3 器件低剂量率辐射损伤机理与模型双极型器件剂量率效应的试验,19,双极型器件,ELDRS,效应常用的物理解释为,空间电荷模型,，物理过程如图,9,。,该模型中，受双极型器件氧化层中低电场作用的影响，辐射诱生空间电荷在氧化层内会缓慢输运。在,高剂量率辐射环境,下，大量辐射诱生的空间电荷不能快速地输运至,Si-SiO,2,界面，因而产生一个局域电场，延缓了其他空穴和,H,离子到表界面的输运过程，减少了辐射诱生界面态和氧化层固定电荷的数量。,双极型器件ELDRS效应常用的物理解释为空间电荷模型，物理过,20,在,低剂量率辐照环境,下，空间电荷诱生局域电场不足以减少,H,离子和空穴输运抵达界面的数量，器件中将观测出,较大,的电学参数,退化量,。基于空间电荷模型，受高剂量率辐射环境下氧化层内局域电场抑制效应的影响，双极型器件的,ELDRS,效应可近似表征为“高剂量率辐照抑制效应”。,在低剂量率辐照环境下，空间电荷诱生局域电场不足以减少H离子和,21,近年来，,Pease,、,Fleetwood,等,基于氢分子模型,提出了一种新的,ELDRS,效应模型，通过将氧化层内氢分子的作用与辐射诱生界面态相结合，其认为高剂量率辐照下,H,离子与界面态生成的抑制效应是,由于氧化层内含氢缺陷反应时相互竞争所引起的,。基于该模型，受氢分子作用的影响，低剂量率下辐射诱生的带氢悬挂键及,H,离子较多，由此引发了双极型器件的低剂量率辐射损伤增强效应。,ELDRS,效应的物理表征还有一种,延迟反应率模型,。在该模型中，低剂量率辐射损伤增强效应由两类缺陷反应构成，其中一类反应需耗费很长时间。延迟反应将有更长时间和更多机会进行，因而比高剂量率辐射环境诱生了更多的界面态。,近年来，Pease、Fleetwood 等基于氢分子模型提出,22,4,结论,本文概述了双极型器件与线性电路的总剂量电离辐射效应与损伤机理。首先，从钝化层辐射损伤机理出发，概述辐射诱生钝化层固定电荷与界面态的机理与计算模型，并结合器件模型介绍双极型器件的总剂量辐射效应,;,随后，针对双极型器件低剂量率辐射效应的空间电荷模型、二级氢模型与延迟反应率模型展开分析与讨论。通过对双极型器件总剂量辐射效应机理的研究，对于建立器件,ELDRS,效应的加速试验方法具有指导意义。,4 结论 本文概述了双极型器件与线性电路的总剂量电离辐射效,23,论文评价,文章简介：,本文,从钝化层辐射损伤机理出发，介绍辐射诱生钝化层固定电荷与界面态的产生机理与计算模型，结合基极电流模型探讨双极型器件与电路的总剂量辐射效应，针对双极型器件的低剂量率辐射损伤机理与模型展开讨论。,评价：,1,、文章详细介绍了钝化层的总剂量辐射效应过程，有助于理解总剂量辐射效应。,2,、低剂量率辐射损伤的介绍对于建立器件,ELDRS,效应的加速试验方法具有指导意义。,论文评价文章简介：,24,谢谢！,谢谢！,25,