氢气浸泡辐照加速方法在3DG111器件上的应用及辐射损伤机理分析

本文以~(60)Co为辐照源,针对3DG111型晶体管,利用半导体参数分析仪和深能级缺陷瞬态谱仪,研究高/低剂量率和有/无氢气浸泡条件下,电性能和深能级缺陷的演化规律.试验结果表明,与高剂量率辐照相比,低剂量率辐照条件下,3DG111型晶体管的电流增益退化更加严重,这说明该器件出现了明显的低剂量率增强效应;无论是高剂量率还是低剂量率辐照条件下,3DG111晶体管的辐射损伤缺陷均是氧化物正电荷和界面态陷阱,并且低剂量率条件下,缺陷能级较深;氢气浸泡后在高剂量率辐照条件下,与未进行氢气处理的器件相比,辐射损伤程度明显加剧,且与低剂量率辐照条件下器件的损伤程度相同,缺陷数量、种类及能级也相同.因此,氢气浸泡处理可以作为低剂量率辐射损伤增强效应加速评估方法的有效手段.     

双极型晶体管总剂量效应的统计特性

双极型晶体管的总电离剂量辐照效应主要体现在基极电流(I_B)的退化,其作用机理是电离辐射在SiO_2中及Si/SiO_2界面作用导致的氧化物陷阱电荷面密度(N_(ot))和界面陷阱电荷面密度(N_(it))的增长.本文基于定制设计的栅控横向PNP晶体管,开展了大样本、多剂量点的电离总剂量效应实验,获得了双极型晶体管I_B, N_(ot), N_(it)的分散性及其随总剂量变化的统计特性,初步建立了晶体管损伤分散性与N_(ot)分散性的关联.该研究成果可以有效支撑双极型电路辐射可靠性的机理研究与定量评估.     

栅控横向PNP双极晶体管基极电流峰值展宽效应及电荷分离研究

为了对双极器件在电离辐射环境下的损伤机理及加固技术进行深入的研究,对设计制作的不同工艺类型的栅控横向PNP双极晶体管进行了60Co-γ低剂量率辐照试验.结果表明:1)栅控双极晶体管的辐射特性具有很强的工艺相关性,钝化层的存在对于双极晶体管的辐射响应具有很大影响,有钝化层的器件在电离辐射环境中会产生更多的界面态,其抗辐射能力大大减弱;2)针对国产栅控横向PNP晶体管在低剂量率辐照时会发生峰值电流展宽效应,文中对展宽效应潜在机理进行了分析,并针对展宽效应提出了新的分离方法.这不但对设计抗辐射加固器件提供了依据,而且为进一步深入研究双极器件的低剂量率辐射损伤增强效应提供了强有力工具.     

不同顺序中子/γ辐照对双极器件电流增益的影响

利用CFBR-Ⅱ快中子反应堆(中国第二座快中子脉冲堆)和60Co装置开展不同顺序的中子/γ辐照双极晶体管的实验。在集电极-发射极电压恒定条件下,测量了双极晶体管电流增益随集电极电流的变化曲线,研究不同顺序中子/γ辐照对双极晶体管电流增益的影响。分析实验结果发现,集电极-发射极电压一定时,集电极电流极低情况下电流增益退化比较大,随集电极电流增加电流增益逐渐减小;就实验选中的两类晶体管而言,先中子后γ辐照造成双极晶体管电流增益的退化程度大于先γ后中子辐照,而且PNP型晶体管比NPN型晶体管差异更明显。本文进行了双极晶体管电离/位移协同辐照效应相关机理的初步探讨。     

光电耦合器电离辐射损伤电流传输比1/f噪声表征

在研究光电耦合器电离辐射损伤机理基础上,分别建立光电耦合器电离辐射损伤电流传输比(CTR)表征模型和1/f噪声表征模型.结果表明CTR退化和噪声增加都归因于辐射后光敏三极管集电结和发射结处SiO₂/Si界面缺陷增多.根据CTR退化和噪声变化分别与辐射剂量的关系,建立起噪声变化与CTR退化之间的关系,辐照实验对表征模型正确性进行了验证.运用噪声变化与辐射剂量的关系,通过低剂量辐照实验可以预测高剂量辐射后光电耦合器退化程度,故可用于评价光电耦合器抗辐射能力. 关键词： f噪声')" href="#">1/f噪声 光电耦合器 缺陷 模型     

基于栅控横向PNP双极晶体管的氢氛围中辐照损伤机制

为了研究氢气与辐射感生产物之间的作用关系,以栅控横向PNP双极晶体管为研究对象,分别开展了氢气氛围中浸泡后的辐照实验和辐照后氢气氛围中退火实验,结果表明:氢气进入双极晶体管后会使其辐照损伤增强,并且未浸泡器件辐照后在氢气中退火也会使晶体管辐射损伤增强.基于栅扫描法分离的辐射感生产物结果表明,氢气进入晶体管会使得界面陷阱增多,氧化物陷阱电荷减少,主要原因是氢气进入氧化层会与辐射产生的氧化物陷阱电荷发生反应,产生氢离子,从而使界面陷阱增多.基于该反应机理,建立了包含氢气反应和氢离子产生机制的低剂量率辐照损伤增强效应数值模型,模型仿真得到的界面陷阱及氧化物陷阱电荷面密度数量级和变化趋势均与实验结果一致,进一步验证了氢气在双极器件中辐照反应机理的正确性,为双极器件辐照损伤机制研究和在氢氛围中浸泡作为低剂量率辐射损伤增强效应加速评估方法的建立提供了参考和理论支撑.     

基于4晶体管像素结构的互补金属氧化物半导体图像传感器总剂量辐射效应研究

对基于4晶体管像素结构互补金属氧化物半导体图像传感器的电离总剂量效应进行了研究,着重分析了器件的满阱容量和暗电流随总剂量退化的物理机理.实验的总剂量为200 krad(Si),测试点分别为30 krad(Si),100 krad(Si),150 krad(Si)和200 krad(Si),剂量率为50 rad(Si)/s.实验结果发现随着辐照总剂量的增加,器件的满阱容量下降并且暗电流显著增加.其中辐照使得传输门沟道掺杂分布发生改变是满阱容量下降的主要原因,而暗电流退化则主要来自于浅槽隔离界面缺陷产生电流和传输门-光电二极管交叠区产生电流.实验还表明样品器件的转换增益在辐照前后未发生明显变化,并且与3晶体管像素结构不同,4晶体管像素结构的互补金属氧化物半导体图像传感器没有显著的总剂量辐照偏置效应.     

~(60)Co-γ射线辐照CMOS有源像素传感器诱发暗信号退化的机理研究

对某国产0.5μm CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor,互补金属氧化物半导体)N阱工艺CMOS有源像素传感器的电离总剂量效应进行了研究,通过60Co-γ射线辐照试验,着重分析了对辐射最敏感的暗信号和暗信号非均匀性随总剂量退化的物理机理.实验发现,随着辐照剂量的增加,暗信号和暗信号非均匀性显著退化,并且静态偏置条件下器件的辐射损伤最大.暗信号退化的主要原因是光电二极管pn结和复位晶体管源端N+/Psub结表面边界周围的SiO2产生了大量的界面态;暗信号非均匀性显著退化是由于光电二极管的暗信号增大引起.上述工作可为深入研究CMOS有源像素传感器的抗辐射加固及其辐射损伤评估提供参考.     

总剂量效应致0.13μm部分耗尽绝缘体上硅N型金属氧化物半导体场效应晶体管热载流子增强效应

空间科学的进步对航天用电子器件提出了更高的性能需求, 绝缘体上硅(SOI)技术由此进入空间科学领域, 这使得器件的应用面临深空辐射环境与地面常规可靠性的双重挑战. 进行SOI N型金属氧化物半导体场效应晶体管电离辐射损伤对热载流子可靠性的影响研究, 有助于对SOI器件空间应用的综合可靠性进行评估. 通过预辐照和未辐照、不同沟道宽长比的器件热载流子试验结果对比, 发现总剂量损伤导致热载流子损伤增强效应, 机理分析表明该效应是STI辐射感生电场增强沟道电子空穴碰撞电离率所引起. 与未辐照器件相比, 预辐照器件在热载流子试验中的衬底电流明显增大, 器件的转移特性曲线、输出特性曲线、跨导特性曲线以及关键电学参数V_T, GM_max, ID_SAT退化较多. 本文还对宽沟道器件测试中衬底电流减小以及不连续这一特殊现象进行了讨论.     

p型金属氧化物半导体场效应晶体管低剂量率辐射损伤增强效应模型研究

对一种非加固4007电路中p型金属氧化物半导体场效应晶体管(PMOSFET)在不同剂量率条件下的电离辐射损伤效应及高剂量率辐照后的退火效应进行了研究. 通过测量不同剂量率条件下PMOSFET的亚阈I-V特性曲线,得到阈值电压漂移量随累积剂量、退火时间的变化关系. 实验发现,此种型号的PMOSFET具有低剂量率辐射损伤增强效应. 通过描述H⁺在氧化层中的输运过程,解释了界面态的形成原因,初步探讨了非加固4007电路中PMOSFET低剂量率辐射损伤增强效应模型. 关键词： p型金属氧化物半导体场效应晶体管 60Co γ射线')" href="#">⁶⁰Co γ射线 电离辐射损伤 低剂量率辐射损伤增强效应     

InGaAs/Si3N4 interface obtained in ultrahigh vacuum multipolar plasma: In-situ control by ellipsometry and electrical characterization

A multipolar plasma passivation scheme controlled by in-situ ellipsometry has been developed to produce a high electrical quality InGaAs/Si₃N₄ interface. We have demonstrated the possibility to remove all native oxides at the InGaAs surface by heating the sample at 240°C, then using the action of a multipolar H₂ plasma at 185°C, without optical degradation of the surface. The passivation by a native nitride layer is then performed using a N₂ plasma, and Si₃N₄ is deposited. The treatment induces a reduction of the density of interface states N_ss(E), and also a change of the nature of these interface states as shown by a reduction in the capture cross section σ_n(E).     

Radiation effects of 50-MeV protons on PNP bipolar junction transistors

The effects of radiation on 3CG110 PNP bipolar junction transistors (BJTs) are characterized using 50-MeV protons, 40-MeV Si ions, and 1-MeV electrons. In this paper, electrical characteristics and deep level transient spectroscopy (DLTS) are utilized to analyze radiation defects induced by ionization and displacement damage. The experimental results show a degradation of the current gain and an increase in the types of radiation defect with increasing fluences of 50-MeV protons. Moreover, by comparing the types of damage caused by different radiation sources, the characteristics of the radiation defects induced by irradiation show that 50-MeV proton irradiation can produce both ionization and displacement defects in the 3CG110 PNP BJTs, in contrast to 40-MeV Si ions, which mainly generate displacement defects, and 1-MeV electrons, which mainly produce ionization defects. This work provides direct evidence of a synergistic effect between the ionization and displacement defects caused in PNP BJTs by 50-MeV protons.     

偏置条件对NPN及PNP双极晶体管电离辐射损伤的影响研究

本文采用低能电子辐照源对NPN及PNP晶体管进行辐照试验. 在辐照试验过程中, 针对NPN及PNP晶体管发射结施加不同的偏置条件, 研究偏置条件对NPN及PNP晶体管辐射损伤的影响. 使用Keithley 4200-SCS半导体特性测试仪在原位条件下测试了双极晶体管电性能参数随低能电子辐照注量的变化关系. 测试结果表明, 在相同的辐照注量条件下, 发射结反向偏置时双极晶体管的辐照损伤程度最大; 发射结正向偏置时双极晶体管的辐照损伤程度最小; 发射结零偏时双极晶体管的辐照损伤程度居于上述情况之间. 关键词： 双极晶体管 低能电子 电离辐射     

特殊构型Si_2N_2分子团簇电致激发特性的密度泛函理论研究

以在可见光区有吸收峰的Cs构型的Si2N2分子团簇为研究对象,利用密度泛函B3LYP方法,在aug-ccpVTZ基组水平下优化得到了处于不同外电场中的Si2N2分子团簇的稳定结构.分析发现:在不同的外电场中,Si2N2分子构型对称性没有发生改变,均为Cs对称性,且都有6种振动模式;随着外电场强度的逐渐增大,Si2N2分子振动频率较低的前三种振动模式的频率略有减小,而后三种振动模式的频率逐渐增加;随着外电场强度的逐渐增大,在一定电场范围内最高占据分子轨道与最低空分子轨道的能隙值出现振荡,之后能隙值随着外电场强度的增大而减小.在此基础上,采用含时密度泛函TD-B3LYP方法研究了外电场对Si2N2分子吸收谱的影响规律.计算得到的吸收谱范围在紫外-可见光区,这与实验值相符合.随着外电场强度的逐渐增大,在可见光区吸收谱发生红移,最大跃迁振子强度逐渐增大.结果表明,施加外电场有利于Si2N2分子在可见光区的吸收,也有利于操控分子特定激发态的电子状态,进而调节相应的跃迁光谱特性,可达到获得所需特定波长的要求.     

Degradation mechanisms of current gain in NPN transistors

An investigation of ionization and displacement damage in silicon NPN bipolar junction transistors (BJTs) is presented. The transistors were irradiated separately with 90-keV electrons, 3-MeV protons and 40-MeV Br ions. Key parameters were measured {\em in-situ} and the change in current gain of the NPN BJTS was obtained at a fixed collector current (I_{\rm c}=1~mA). To characterise the radiation damage of NPN BJTs, the ionizing dose D_{\i} and displacement dose D_{\d} as functions of chip depth in the NPN BJTs were calculated using the SRIM and Geant4 code for protons, electrons and Br ions, respectively. Based on the discussion of the radiation damage equation for current gain, it is clear that the current gain degradation of the NPN BJTs is sensitive to both ionization and displacement damage. The degradation mechanism of the current gain is related to the ratio of D_{\rm d}/(D_{\rm d}+D_{\rm i}) in the sensitive region given by charged particles. The irradiation particles leading to lower D_{\rm d}/(D_{\rm d}+D_{\rm i}) within the same chip depth at a given total dose would mainly produce ionization damage to the NPN BJTs. On the other hand, the charged particles causing larger D_{\rm d}/(D_{\rm d}+D_{\rm i}) at a given total dose would tend to generate displacement damage to the NPN BJTs. The Messenger--Spratt equation could be used to describe the experimental data for the latter case.     

Dielectrics for passivation of planar InP/InGaAs diodes

We have investigated dielectrics for passivating planar InP or InGaAs photodiodes: thermally evaporated Al₂O₃ and SiO, sputtered Si₃N₄ and SiO₂ and also SiO₂ using chemical vapour deposition. The measured bulk and field-effect properties of all dielectrics excluding sputtered SiO₂ were suitable for this application. In planar InGaAs diodes with Cd diffused or Mg implanted p⁺-region a disordered dielectric/semiconductor surface led to high reverse current densities above 1 mA/cm². In InP diodes with p⁺-diffusion and dielectrics exhibiting positive flatband voltages, e.g. Si₃N₄ and Al₂O₃, reverse current densities of 10 μA/cm² were measured probably caused by a slight inversion of the semiconductor surface. With a SiO or CVD-SiO₂ passivating layer on n-InP lowest leakage current densities (10 nA/cm²) were achieved. Very low dark-current planar photodiodes InP/InGaAsP/InGaAs have been fabricated using SiO passivation (30 nA/cm²).     

紫外波段SiO2/Si3N4介质膜分布式布拉格反射镜的制备与研究

采用光学传递矩阵方法设计了紫外波段SiO₂/Si₃N₄介质膜分布式布拉格反射镜, 并利用等离子体增强化学气相沉积技术在蓝宝石(0001)衬底上制备了SiO₂/Si₃N₄介质膜分布式布拉格反射镜. 光反射测试表明, 样品反射谱的峰值波长仅与理论模拟谱线相差10 nm, 并随着反射镜周期数的增加而蓝移. 由于SiO₂与Si₃N₄具有相对较大的折射率比, 因而制备的周期数为13的样品反射谱的峰值反射率就已大于99%. 样品反射谱的中心波长为333 nm, 谱峰的半高宽为58 nm. 样品截面的扫描电子显微镜和表面的原子力显微镜测量结果表明, 样品反射谱的中心波长蓝移是由子层的层厚和界面粗糙度的变化引起的. X射线反射谱表明,子层界面过渡层对于反射率的影响较小, 并且SiO₂膜的质量比Si₃N₄差, 也是造成反射率低于理论值的原因之一.     

Gated photoluminescence study of oxide-free InP MIS structure having an ultrathin silicon interface control layer

In order to investigate the effectiveness of a novel oxide-free surface passivation approach for InP, using an ultrathin silicon interface control layer (Si ICL), gated photoluminescence characteristics of the Si₃N₄/Si ICL/n-InP metal–semiconductor–insulator (MIS) structure were studied at room temperature. As compared with gated PL spectra of Si₃N₄/n-InP MIS without Si ICL, PL intensities of the sample with Si ICL were much more strongly modulated by the gate voltage. The interface state density distribution was estimated by an optical analog of the Terman’s C–V analysis and a good agreement with the C–V analysis was obtained. The result indicates complete removal of Fermi level pinning over the entire bandgap in the novel oxide-free MIS structure.     

电荷俘获存储器的过擦现象

基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法和VASP软件对电荷俘获存储器过擦现象进行了分析研究.通过形成能的计算,确定了含有氮空位缺陷的Si3N4和含有间隙氧缺陷的Hf O2作为研究的对象;俘获能的计算结果表明两种体系对电子的俘获能力比对空穴的大,因而对两体系擦写载流子确定为电子.分别计算了Hf O2和Si3N4擦写前后的能量、擦写前后电荷分布变化、吸附能和态密度,以说明过擦的微观机理.对能量和擦写电荷变化的研究,表明Si3N4相比于Hf O2,其可靠性较差,且Si3N4作为俘获层,在一个擦写周期后,晶胞中电子出现减少现象;界面吸附能的研究表明,Si3N4相比于Hf O2在缺陷处更容易与氧进行电子交换;最后,通过对态密度的分析表明Si3N4和Hf O2在对应的缺陷中均有缺陷能级俘获电子,前者为浅能级俘获,后者为深能级俘获.综上分析表明,Si3N4在氮空位的作用下,缺陷附近原子对电子的局域作用变弱,使得Si3N4作为俘获层时,材料本身的电子被擦出,使得擦操作时的平带偏移电压增大,导致存储器发生过擦.本文的研究结果揭示了过擦的本质,对提高电荷俘获存储器的可靠性以及存储特性有着重要的指导意义.     

Growth and magnetism of Ni nanoparticles in Ni/Al2O3/Si or Si3N4 multilayers

We report on the fabrication of Ni/Al₂O₃/Si and textured Ni/Al₂O₃/Si₃N₄ multilayers containing Ni nanoparticles that exhibit significantly improved results. The secondary phases arising from thermal reaction between Ni and Si can be remarkably suppressed with increasing layers of Al₂O₃ and deposition of Ni/Al₂O₃ multilayers on Si₃N₄ substrates. Atomic force microscopy shows the formation of large as well as nanoclusters of Ni when grown on Si, whereas textured Ni nanoparticles are formed on Si₃N₄ substrates. The magnetization measurements on Ni/Al₂O₃/Si containing a single buffer layer of Al₂O₃ shows higher coercivity field with magnetic nanowire-like behavior, whereas with several Al₂O₃ alternate layers almost a superparamagnetic-like behavior is observed. However, significantly improved magnetic hysteresis was observed in textured Ni/Al₂O₃/Si₃N₄ multilayers due to preferred alignment of Ni nanocrystallites.