重离子导致的锗硅异质结双极晶体管单粒子效应电荷收集三维数值模拟

针对国产锗硅异质结双极晶体管(SiGe HBTs), 采用半导体器件模拟工具, 建立SiGe HBT单粒子效应三维损伤模型, 研究影响SiGe HBT单粒子效应电荷收集的关键因素. 分析比较重离子在不同位置入射器件时, 各电极的电流变化和感生电荷收集情况, 确定SiGe HBT电荷收集的敏感区域. 结果表明, 集电极/衬底结内及附近区域为集电极和衬底收集电荷的敏感区域, 浅槽隔离内的区域为基极收集电荷的敏感区域, 发射极收集的电荷可以忽略. 此项工作的开展为下一步采用设计加固的方法提高器件的抗辐射性能打下了良好的基础. 关键词： 锗硅异质结双极晶体管 单粒子效应 电荷收集 三维数值仿真     

锗硅异质结晶体管单粒子效应激光微束模拟

对国产锗硅异质结双极晶体管(SiGe HBT)进行了单粒子效应激光微束辐照试验,观测SiGe HBT单粒子效应的敏感区域,测试不同外加电压和不同激光能量下SiGe HBT集电极瞬变电流和电荷收集情况,并结合器件结构对试验结果进行分析。试验结果表明:国产SiGe HBT位于集电极/衬底结内的区域对单粒子效应敏感,波长为1064 nm的激光在能量约为1.5 nJ时诱发SiGe HBT单粒子效应,引起电流瞬变。入射激光能量增强,电流脉冲增大,电荷收集量增加;外加电压增大,电流脉冲的波峰增大;SiGe HBT的单粒子效应与外加电压大小和入射激光能量都相关,电压主要影响瞬变电流的峰值,而电荷收集量主要依赖于入射激光能量。     

SiGe BiCMOS低噪声放大器激光单粒子效应研究

随着CMOS工艺的日益成熟和SiGe外延技术水平的不断提高, SiGe BiCMOS低噪声放大器(LNA)广泛应用于空间射频收发系统的第一级模块. SiGe HBT作为SiGe BiCMOS LNA的核心器件,天然具有优异的低温特性、抗总剂量效应和抗位移损伤效应的能力,然而,其瞬态电荷收集引起的空间单粒子效应是制约其空间应用的瓶颈问题.本文基于SiGe BiCMOS工艺低噪声放大器开展了单粒子效应激光微束实验,并定位了激光单粒子效应敏感区域.实验结果表明, SiGe HBT瞬态电荷收集是引起SiGe BiCMOS LNA单粒子效应的主要原因. TCAD模拟表明,离子在CMOS区域入射时,电离径迹会越过深沟槽隔离结构,进入SiGe HBT区域产生电子空穴对并引起瞬态电荷收集. ADS电路模拟分析表明,单粒子脉冲瞬态电压在越过第1级与第2级之间的电容时,瞬态电压峰值骤降,这表明电容在传递单粒子效应产生的瞬态脉冲过程中起着重要作用.本文实验和模拟工作为SiGe BiCMOS LNA单粒子效应抗辐射设计加固提供了技术支持.     

不同偏置影响锗硅异质结双极晶体管单粒子效应的三维数值仿真研究

针对国产锗硅异质结双极晶体管(SiGe HBT),采用半导体器件三维计算机模拟工具,建立单粒子效应三维损伤模型,研究不同偏置状态对SiGe HBT单粒子效应的影响.分析比较不同偏置下重离子入射器件后,各端口电流瞬变峰值和电荷收集量随时间的变化关系,获得SiGe HBT单粒子效应与偏置的响应关系.结果表明:不同端口对单粒子效应响应的最劣偏置不同,同一端口电荷收集量和瞬变电流峰值的最劣偏置也有所差异.载流子输运方式变化和外加电场影响是造成这种现象的主要原因.     

三维数值仿真研究锗硅异质结双极晶体管总剂量效应

为探索锗硅异质结双极晶体管(SiGe HBT)总剂量效应的损伤机理,采用半导体器件三维模拟工具(TCAD),建立电离辐照总剂量效应损伤模型,分析比较电离辐射在SiGe HBT不同氧化层结构的不同位置引入陷阱电荷缺陷后,器件正向Gummel特性和反向Gummel特性的退化特征,获得SiGe HBT总剂量效应损伤规律,并与⁶⁰Coγ辐照实验进行对比.结果表明:总剂量辐照在SiGe HBT器件中引入的氧化物陷阱正电荷主要在pn结附近的Si/SiO₂界面处产生影响,引起pn结耗尽区的变化,带来载流子复合增加,最终导致基极电流增大、增益下降;其中EB Spacer氧化层中产生的陷阱电荷主要影响正向Gummel特性,而LOCOS隔离氧化层中的陷阱电荷则是造成反向Gummel特性退化的主要因素.通过数值模拟分析获得的SiGe HBT总剂量效应损伤规律与不同偏置下⁶⁰Coγ辐照实验的结论符合得较好.     

SOI SiGe HBT结构设计及频率特性研究

将SOI技术优势引入SiGe HBT,可满足当前BiCMOS高速低功耗的应用需求.SOI SiGe HBT作为BiCMOS工艺的核心器件,其频率特性决定了电路所能达到的工作速度.为此,本文针对所提出的SOI SiGe HBT器件结构,重点研究了该器件的频率特性,并通过所建立的集电区电容模型予以分析.规律和结果为:1)SOI SiGe HBT特征频率随集电区掺杂浓度的升高而增加;2)SOI SiGe HBT特征频率与集电极电流IC之间的变化规律与传统SiGe HBT的相一致;3)正常工作状态,SOI SiGe HBT(集电区3×1017cm-3掺杂)最高振荡频率fmax大于140 GHz,且特征频率fT大于60 GHz.与传统SiGe HBT相比,特征频率最大值提高了18.84%.以上规律及结论可为SOI SiGe HBT及BiCMOS的研究设计提供重要依据.     

基于55 nm DICE结构的单粒子翻转效应模拟研究

单粒子翻转(single event upset, SEU)是器件在辐照空间中应用的关键难题,本文以55 nm加固锁存单元为研究载体,通过三维数值模拟方法,获得了重离子不同入射条件下的线性能量转移(linear energy transfer, LET)阈值和电压脉冲变化曲线,研究了双互锁存储单元(dual interlockded storage cell, DICE)的抗辐照性能和其在不同入射条件下的SEU效应.研究表明,低LET值的粒子以小倾斜角入射器件时,降低了器件间的总电荷收集量,使得主器件节点的电压峰值和电压脉宽最小,器件SEU敏感性最低;由于空穴与电子迁移率的差异,导致DICE锁存器中Nhit的入射角敏感性远大于Phit;合理调节晶体管间距可以削弱电荷共享效应,使得从器件总电荷收集量减小,仿真计算得到此工艺下晶体管间距不能小于1.2μm.相关仿真结果可为DICE锁存单元单粒子效应的物理机制研究和加固技术提供理论依据和数据支持,有助于加快存储器件在宇航领域的应用步伐.     

p型金属氧化物半导体场效应晶体管界面态的积累对单粒子电荷共享收集的影响

由于负偏置温度不稳定性和热载流子注入,p型金属氧化物半导体场效应晶体管(pMOSFET)将在工作中不断退化,而其SiO₂/Si界面处界面态的积累是导致其退化的主要原因之一. 采用三维器件数值模拟方法,基于130 nm体硅工艺,研究了界面态的积累对相邻pMOSFET之间单粒子电荷共享收集的影响. 研究发现,随着pMOSFET SiO₂/Si界面处界面态的积累,相邻pMOSFET漏端的单粒子电荷共享收集量均减少. 还研究了界面态的积累对相邻反相器中单粒子电荷共享收集 关键词： 负偏置温度不稳定性 电荷共享收集 双极放大效应 单粒子多瞬态     

NMOS器件中单粒子瞬态电流收集机制的二维数值分析

通过二维数值模拟,深入分析了NMOSFET在不同漏极偏置、不同栅长度和不同注入位置下的单粒子效应.研究结果表明:漏极偏置电压越高,栅长度越短,器件的单粒子瞬态电流越大,收集电荷越多.通过研究不同注入位置情况下的单粒子效应表明:单粒子瞬态脉冲电流的大小和器件中该处对应的电场强度成比例变化.研究结果为设计抗单粒子器件提供了重要指导.     

SiGe HBT大信号等效电路模型

基于SiGe HBT(异质结双极晶体管)的物理模型，建立了描述SiGe HBT的大信号等效电路模型.该等效电路模型考虑了准饱和效应和自热效应等，模型分为本征和非本征两部分，物理意义清晰，拓扑结构相对简单.该模型嵌入了PSPICE软件的DEVEO(器件方程开发包)中.在PSPICE软件资源的支持下，利用该模型对SiGe HBT器件进行了交直流特性模拟分析，模拟结果与理论分析结果相一致，并且与文献报道的结果符合较好. 关键词： SiGe HBT 等效电路模型 PSPICE     

Synergistic effect of total ionizing dose on single event effect induced by pulsed laser microbeam on SiGe heterojunction bipolar transistor

The synergistic effect of total ionizing dose(TID) on single event effect(SEE) in SiGe heterojunction bipolar transistor(HBT) is investigated in a series of experiments. The SiGe HBTs after being exposed to 60 Co g irradiation are struck by pulsed laser to simulate SEE. The SEE transient currents and collected charges of the un-irradiated device are compared with those of the devices which are irradiated at high and low dose rate with various biases. The results show that the SEE damage to un-irradiated device is more serious than that to irradiated SiGe HBT at a low applied voltage of laser test. In addition, the g irradiations at forward and all-grounded bias have an obvious influence on SEE in the SiGe HBT, but the synergistic effect after cutting off the g irradiation is not significant. The influence of positive oxide-trap charges induced by TID on the distortion of electric field in SEE is the major factor of the synergistic effect. Moreover, the recombination of interface traps also plays a role in charge collection.     

Three-dimensional simulation of fabrication process-dependent effects on single event effects of SiGe heterojunction bipolar transistor

The fabrication process dependent effects on single event effects(SEEs) are investigated in a commercial silicon–germanium heterojunction bipolar transistor(SiGe HBT) using three-dimensional(3D) TCAD simulations. The influences of device structure and doping concentration on SEEs are discussed via analysis of current transient and charge collection induced by ions strike. The results show that the SEEs representation of current transient is different from representation of the charge collection for the same process parameters. To be specific, the area of C/S junction is the key parameter that affects charge collection of SEE. Both current transient and charge collection are dependent on the doping of collector and substrate. The base doping slightly influences transient currents of base, emitter, and collector terminals. However, the SEEs of SiGe HBT are hardly affected by the doping of epitaxial base and the content of Ge.     

An investigation of ionizing radiation damage in different SiGe processes

Different SiGe processes and device designs are the critical influences of ionizing radiation damage. Based on the different ionizing radiation damage in SiGe HBTs fabricated by Huajie and an IBM SiGe process, quantitatively numerical simulation of ionizing radiation damage was carried out to explicate the distribution of radiation-induced charges buildup in KT9041 and IBM SiGe HBTs. The sensitive areas of the EB-spacer and isolation oxide of KT9041 are much larger than those of the IBM SiGe HBT, and the distribution of charge buildup in KT9041 is several orders of magnitude greater than that of the IBM SiGe HBT. The result suggests that the simulations are consistent with the experiment, and indicates that the geometry of the EB-spacer, the area of the Si/SiO_2 interface and the isolation structure could be contributing to the different ionizing radiation damage.     

SOI部分耗尽SiGe HBT集电结空间电荷区模型

SOI上的薄膜异质SiGe晶体管通过采用"折叠"集电极,已成功实现SOI上CMOS与HBT的兼容.本文结合SOI薄膜上的纵向SiGe HBT结构模型,提出了包含纵向、横向欧姆电阻和耗尽电容的"部分耗尽 (partially depleted) 晶体管"集电区简化电路模型.基于器件物理及实际考虑,系统建立了外延集电层电场、电势、耗尽宽度模型,并根据该模型对不同器件结构参数进行分析.结果表明,空间电荷区表现为本征集电结耗尽与MOS电容耗尽,空间电荷区宽度随集电结掺杂浓度减小而增大,随集电结反偏电压提高而增大, 关键词： SOI SiGe HBT 集电区 空间电荷区模型     

含有本征SiGe层的SiGe异质结双极晶体管集电结耗尽层宽度模型

本文分别建立了含有本征SiGe层的SiGe HBT(异质结双极晶体管)集电结耗尽层各区域的电势、电场分布模型,并在此基础上,建立了集电结耗尽层宽度和延迟时间模型,对该模型进行了模拟仿真,定量地分析了SiGe HBT物理、电学参数对集电结耗尽层宽度和延迟时间的影响,随着基区掺杂浓度和集电结反偏电压的提高,集电结耗尽层延迟时间也随之增大,而随着集电区掺杂浓度的提高和基区Ge组分增加,集电结耗尽层延迟时间随之减小. 关键词： SiGe HBT 集电结耗尽层 延迟时间     

SiGe HBT势垒电容模型

在考虑SiGe HBT的势垒电容时，通常的耗尽层近似不再适用，应考虑可动载流子的影响.在分析研究SiGe HBT载流子输运的基础上，建立了考虑发射结势垒区内载流子分布的发射结势垒电容模型和不同电流密度下包括基区扩展效应的集电结势垒电容模型.将以上势垒电容 模型应用于SiGe HBT频率特性模拟，模拟结果与实验结果符合得很好. 关键词： SiGe HBT 势垒电容 微分电容