雙極晶體管輻射損傷效應(yīng)及深能級(jí)缺陷研究.pdf

1、本文以雙極晶體管為研究對(duì)象,通過(guò)輻照源特點(diǎn)及模擬計(jì)算分析,選取電子、質(zhì)子、Co-60g射線及重離子作為輻照源,研究了雙極晶體管電離效應(yīng)、位移效應(yīng)及其協(xié)合效應(yīng)的特點(diǎn)和電性能退化規(guī)律。基于雙極晶體管輻射效應(yīng)和電性能退化規(guī)律表征、深能級(jí)瞬態(tài)譜分析及退火效應(yīng)研究3種技術(shù)途徑,揭示了雙極晶體管的電離效應(yīng)、位移效應(yīng)及電離/位移協(xié)合效應(yīng)的機(jī)制,建立了雙極晶體管電離損傷和位移損傷量化模型。
　　研究結(jié)果表明,不同種類的輻照源輻照時(shí),NPN和PNP

2、型雙極晶體管的電性能參數(shù)呈現(xiàn)類似的變化趨勢(shì),器件類型對(duì)電性能參數(shù)變化趨勢(shì)的影響不大。電離輻射損傷條件下,雙極晶體管的電性能參數(shù)退化隨輻照注量逐漸趨于飽和?；谏钅芗?jí)瞬態(tài)譜(DLTS)分析結(jié)果可知,電離輻射損傷會(huì)在雙極晶體管集電區(qū)產(chǎn)生類深能級(jí)缺陷信號(hào),在NPN型晶體管集電區(qū)表現(xiàn)為多子俘獲陷阱,在PNP型晶體管集電區(qū)表現(xiàn)為少子俘獲陷阱。位移和電離/位移協(xié)合輻射損傷時(shí),雙極晶體管的電性能隨輻照注量持續(xù)退化,未見(jiàn)飽和趨勢(shì)。位移輻射損傷在雙極晶體

3、管集電區(qū)中產(chǎn)生的深能級(jí)缺陷以多子俘獲陷阱為主?；陔p極晶體管的電離損傷機(jī)制,構(gòu)建了過(guò)?；鶚O電流的表達(dá)式,提出了雙極晶體管電流增益隨電離輻照注量變化的簡(jiǎn)化模型,與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好。
　　不同種類重離子輻照試驗(yàn)結(jié)果表明,在相同位移吸收劑量下,不同種類的重離子對(duì)雙極晶體管所造成的電性能退化程度和深能級(jí)缺陷濃度不同。穿透能力較弱的粒子,易在射程末端產(chǎn)生級(jí)聯(lián)效應(yīng),導(dǎo)致深能級(jí)缺陷濃度明顯提高并加劇晶體管的電性能退化;而穿透力較強(qiáng)的離子,主要在

4、入射路徑周圍產(chǎn)生空位及間隙原子,所產(chǎn)生的深能級(jí)缺陷的濃度較低,電性能退化程度較小?；谌肷淞Ｗ釉诰w管基區(qū)產(chǎn)生位移吸收劑量分布的不均勻性和電離效應(yīng)的影響,提出了優(yōu)化NIEL方法的新思路,建立了不同種類粒子位移損傷等效性轉(zhuǎn)換關(guān)系,與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好。
　　經(jīng)20MeVBr離子輻照的雙極晶體管順序進(jìn)行110keV電子輻照時(shí),隨著電子輻照注量的增加,電流增益的退化先逐漸恢復(fù)后繼續(xù)加劇。DLTS測(cè)試結(jié)果表明,當(dāng)?shù)湍茈娮虞椪兆⒘枯^小時(shí),有利

5、于低能電子產(chǎn)生的電離損傷使重離子位移輻射缺陷信號(hào)部分恢復(fù),導(dǎo)致雙極晶體管的電流增益逐漸恢復(fù);當(dāng)?shù)湍茈娮幼⒘枯^大時(shí),低能電子電離輻射損傷效應(yīng)增強(qiáng),促進(jìn)重離子位移輻射缺陷濃度明顯增加和電流增益衰降。
　　不同偏置條件下低能質(zhì)子和電子順序輻照試驗(yàn)結(jié)果表明,相同輻照注量條件下,雙極晶體管發(fā)射結(jié)零偏時(shí)所受輻射損傷程度最大,發(fā)射結(jié)反偏時(shí)輻射損傷程度居中,發(fā)射結(jié)正偏時(shí)輻射損傷程度最小。偏置條件對(duì)電離/位移協(xié)合輻射效應(yīng)的影響規(guī)律與其對(duì)位移輻射效應(yīng)

6、的影響相同。通過(guò)重離子或低能質(zhì)子與低能電子進(jìn)行綜合輻照試驗(yàn),揭示了雙極晶體管電離損傷對(duì)位移損傷起退火和加劇兩種作用機(jī)制。
　　在等時(shí)退火過(guò)程中,經(jīng)不同類型粒子輻照后的晶體管電性能參數(shù)隨著退火溫度的升高均逐漸恢復(fù)。當(dāng)退火溫度達(dá)到700K時(shí),NPN和PNP型雙極晶體管的電性能參數(shù)均可恢復(fù)至輻照前的水平。隨著退火溫度的升高,電離輻射損傷缺陷濃度逐漸降低。對(duì)于位移輻射損傷,退火溫度較低時(shí)(<550K),隨著退火溫度的升高,能級(jí)較深的缺陷濃