雙極晶體管輻射損傷效應(yīng)及深能級缺陷研究.pdf

1、本文以雙極晶體管為研究對象,通過輻照源特點及模擬計算分析,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)的特點和電性能退化規(guī)律?；陔p極晶體管輻射效應(yīng)和電性能退化規(guī)律表征、深能級瞬態(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,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,器件類型對電性能參數(shù)變化趨勢的影響不大。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?；谏钅芗壦矐B(tài)譜(DLTS)分析結(jié)果可知,電離輻射損傷會在雙極晶體管集電區(qū)產(chǎn)生類深能級缺陷信號,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,雙極晶體管的電性能隨輻照注量持續(xù)退化,未見飽和趨勢。位移輻射損傷在雙極晶體

3、管集電區(qū)中產(chǎn)生的深能級缺陷以多子俘獲陷阱為主?；陔p極晶體管的電離損傷機制,構(gòu)建了過?；鶚O電流的表達式,提出了雙極晶體管電流增益隨電離輻照注量變化的簡化模型,與試驗數(shù)據(jù)吻合良好。
　　不同種類重離子輻照試驗結(jié)果表明,在相同位移吸收劑量下,不同種類的重離子對雙極晶體管所造成的電性能退化程度和深能級缺陷濃度不同。穿透能力較弱的粒子,易在射程末端產(chǎn)生級聯(lián)效應(yīng),導(dǎo)致深能級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)生的深能級缺陷的濃度較低,電性能退化程度較小。基于入射粒子在晶體管基區(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,與試驗結(jié)果吻合良好。
　　經(jīng)20MeVBr離子輻照的雙極晶體管順序進行110keV電子輻照時,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測試結(jié)果表明,當?shù)湍茈娮虞椪兆⒘枯^小時,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部分恢復(fù),導(dǎo)致雙極晶體管的電流增益逐漸恢復(fù);當?shù)湍茈娮幼⒘枯^大時,低能電子電離輻射損傷效應(yīng)增強,促進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)零偏時所受輻射損傷程度最大,發(fā)射結(jié)反偏時輻射損傷程度居中,發(fā)射結(jié)正偏時輻射損傷程度最小。偏置條件對電離/位移協(xié)合輻射效應(yīng)的影響規(guī)律與其對位移輻射效應(yīng)

6、的影響相同。通過重離子或低能質(zhì)子與低能電子進行綜合輻照試驗,揭示了雙極晶體管電離損傷對位移損傷起退火和加劇兩種作用機制。
　　在等時退火過程中,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)。當退火溫度達到700K時,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。對于位移輻射損傷,退火溫度較低時(<550K),隨著退火溫度的升高,能級較深的缺陷濃