电离辐射对部分耗尽绝缘体上硅器件低频噪声特性的影响

本文针对辐射前后部分耗尽结构绝缘体上硅(SOI)器件的电学特性与低频噪声特性开展试验研究. 受辐射诱生埋氧化层固定电荷与界面态的影响, 当辐射总剂量达到1 M rad(Si) (1 rad = 10^-2 Gy)条件下, SOI器件背栅阈值电压从44.72 V 减小至12.88 V、表面电子有效迁移率从473.7 cm²/V·s降低至419.8 cm²/V· s、亚阈斜率从2.47 V/dec增加至3.93 V/dec; 基于辐射前后亚阈斜率及阈值电压的变化, 可提取得到辐射诱生界面态与氧化层固定电荷密度分别为5.33×10¹¹ cm^{- 2}与2.36×10¹² cm^-2. 受辐射在埋氧化层-硅界面处诱生边界陷阱、氧化层固定电荷与界面态的影响, 辐射后埋氧化层-硅界面处电子被陷阱俘获/释放的行为加剧, 造成SOI 器件背栅平带电压噪声功率谱密度由7×10^{- 10} V²·Hz^-1增加至1.8×10^-9 V² ·Hz^-1; 基于载流子数随机涨落模型可提取得到辐射前后SOI器件埋氧化层界面附近缺陷态密度之和约为1.42×10¹⁷ cm^-3·eV^-1和3.66×10¹⁷ cm^-3·eV^-1. 考虑隧穿削弱因子、隧穿距离与时间常数之间关系, 本文计算得到辐射前后埋氧化层内陷阱电荷密度随空间分布的变化.     

0.18 μm部分耗尽绝缘体上硅互补金属氧化物半导体电路单粒子瞬态特性研究

利用脉冲激光入射技术研究100级0.18 μm部分耗尽绝缘体上硅互补金属氧化物半导体反相器链的单粒子瞬态效应, 分析了激光入射器件类型及入射位置对单粒子瞬态脉冲传输特性的影响. 实验结果表明, 单粒子瞬态脉冲在反相器链中的传输与激光入射位置有关, 当激光入射第100级到第2级的n型金属-氧化物-半导体器件, 得到的脉冲宽度从287.4 ps增加到427.5 ps; 当激光入射第99级到第1级的p型金属-氧化物-半导体器件, 得到的脉冲宽度从150.5 ps增加到295.9 ps. 激光入射点靠近输出则得到的瞬态波形窄; 靠近输入则得到的瞬态波形较宽, 单粒子瞬态脉冲随着反相器链的传输而展宽. 入射器件的类型对单粒子瞬态脉冲展宽无影响. 通过理论分析得到, 部分耗尽绝缘体上硅器件浮体效应导致的阈值电压迟滞是反相器链单粒子瞬态脉冲展宽的主要原因. 而示波器观察到的与预期结果幅值相反的正输出脉冲, 是输出节点电容充放电的结果.     

22 nm工艺超薄体全耗尽绝缘体上硅晶体管单粒子瞬态效应研究

利用计算机辅助设计技术数值仿真工具, 研究22 nm工艺技术节点下超薄体全耗尽绝缘体上硅晶体管单粒子瞬态效应, 系统地分析了掺杂地平面技术、重离子入射位置、栅功函数和衬底偏置电压对于单粒子瞬态效应的影响. 模拟结果表明, 掺杂地平面和量子效应对于单粒子瞬态效应影响很小, 重离子入射产生大量电荷, 屏蔽了初始电荷分布的差异性. 单粒子瞬态效应以及收集电荷和重离子入射位置强相关, 超薄体全耗尽绝缘体上硅最敏感的区域靠近漏端. 当栅功函数从4.3 eV变化到4.65 eV时, 单粒子瞬态电流峰值从564 μA减小到509 μA, 收集电荷从4.57 fC减小到3.97 fC. 超薄体全耗尽绝缘体上硅器件单粒子瞬态电流峰值被衬底偏置电压强烈调制, 但是收集电荷却与衬底偏置电压弱相关. 关键词： 超薄体全耗尽绝缘体上硅 单粒子瞬态效应 电荷收集 数值仿真     

全耗尽绝缘体上硅氧化铪基铁电场效应晶体管存储单元单粒子效应计算机模拟研究

铁电场效应晶体管具有非挥发性、低功耗、读写速度快等优异的存储性能,是最有前景的新型半导体存储器件之一.为促进铁电场效应晶体管在辐射环境中的应用,本文利用计算机辅助设计软件对全耗尽绝缘体上硅氧化铪基铁电场效应晶体管存储单元的单粒子效应进行研究,分析了重离子不同入射位置及角度和漏极偏置电压对存储单元相关特性的影响.结果表明:重离子入射位置改变不会使氧化铪铁电层中相应的极化状态发生反向,但会影响存储单元输出电压瞬态变化,最敏感区域靠近漏-体结区域;随着重离子入射角度减小,存储单元输出电压峰值增大,读数据“0”时入射角度变化的影响更为明显;存储单元输出电压峰值受漏极偏置电压调制,读数据“1”时调制效应更为明显.本工作为全耗尽绝缘体上硅氧化铪基铁电场效应晶体管存储单元抗单粒子效应加固设计提供理论依据和指导.     

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.     

衬底浮空的新型绝缘体上硅基横向功率器件分析

针对有机半导体领域的发展要求,报道了一种能够应用于有机半导体领域衬底浮空的新型SOI LDMOS(silicon on insulator lateral double-diffused metal oxide semiconductor)功率器件,不同于传统无机半导体中SOI LDMOS功率器件,该新型器件可以与绝缘...     

电离辐射环境下的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可靠性研究

随着半导体技术的进步, 集成小尺寸绝缘体上硅器件的芯片开始应用到航空航天领域, 使得器件在使用中面临了深空辐射环境与自身常规可靠性的双重挑战. 进行小尺寸器件电离辐射环境下的可靠性试验有助于对器件综合可靠性进行评估. 参照国标GB2689.1-81恒定应力寿命试验与加速寿命试验方法总则进行电应力选取, 对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进行了电离辐射环境下的常规可靠性研究. 通过试验对比, 定性地分析了氧化物陷阱电荷和界面态对器件敏感参数的影响, 得出了氧化物陷阱电荷和界面态随着时间参数的变化, 在不同阶段对器件参数的影响. 结果表明, 总剂量效应与电应力的共同作用将加剧器件敏感参数的退化, 二者的共同作用远大于单一影响因子.     

具有L型源极场板的双槽绝缘体上硅高压器件新结构

为了提高小尺寸绝缘体上硅(SOI)器件的击穿电压,同时降低器件比导通电阻,提出了一种具有L型源极场板的双槽SOI高压器件新结构.该结构具有如下特征:首先,采用了槽栅结构,使电流纵向传导面积加宽,降低了器件的比导通电阻;其次,在漂移区引入了Si O2槽型介质层,该介质层的高电场使器件的击穿电压显著提高;第三,在槽型介质层中引入了L型源极场板,该场板调制了漂移区电场,使优化漂移区掺杂浓度大幅增加,降低了器件的比导通电阻.二维数值仿真结果表明:与传统SOI结构相比,在相同器件尺寸时,新结构的击穿电压提高了151%,比导通电阻降低了20%;在相同击穿电压时,比导通电阻降低了80%.与相同器件尺寸的双槽SOI结构相比,新结构保持了双槽SOI结构的高击穿电压特性,同时,比导通电阻降低了26%.     

氢化非晶硅薄膜晶体管的低频噪声特性

针对氢化非晶硅薄膜晶体管(hydrogenated amorphous silicon thin film transistor,a-Si:H TFT)的低频噪声特性展开实验研究.由测量结果可知,a-Si:H TFT的低频噪声特性遵循1/f~γ(f为频率,γ≈0.92)的变化规律,主要受迁移率随机涨落效应的影响.基于与迁移率涨落相关的载流子数随机涨落模型(?N-?μ模型),在考虑源漏接触电阻、局域态俘获及释放载流子效应等情况时,对器件低频噪声特性随沟道电流的变化进行分析与拟合.基于a-Si:H TFT的亚阈区电流-电压特性提取器件表面能带弯曲量与栅源电压之间的关系,通过沟道电流噪声功率谱密度提取a-Si:H TFT有源层内局域态密度及其分布.实验结果表明:局域态在禁带内随能量呈e指数变化,两种缺陷态在导带底密度分别约为6.31×10~(18)和1.26×10~(18)cm~(-3)·eV~(-1),特征温度分别约为192和290 K,这符合非晶硅层内带尾态密度及其分布特征.最后提取器件的平均Hooge因子,为评价非晶硅材料及其稳定性提供参考.     

基于绝缘体上硅的一种改进的Mach-Zehnder声光调制器

传统的基于绝缘体上硅的Mach-Zehnder(MZ)声光调制器中,叉指换能器位于两臂的同一侧.为实现高的调制效率,声表面波的波峰和波谷分别调制MZ干涉仪的两臂,这要求控制MZ干涉仪两臂之间的距离为奇数倍声波半波长.但实际上由于传播过程中衬底材料的变化,声波波长会变大,这会导致两臂的间距难以准确设置.另一方面,声波在传播过程中经过MZ干涉仪的一臂后会发生衰减,降低了对另一臂的调制效果,影响了整体的调制效率.本文针对这些问题给出了一种解决方案,把叉指换能器放在MZ波导两臂之间,确保MZ干涉仪两臂到叉指电极中心距离相等.采用有限元法,首先对新提出的结构进行分析,然后通过声光互作用原理得到了材料的折射率变化;进而研究了波导类型、波导宽度、氧化锌厚度及叉指对数等因素对声光调制效率的影响,并对声光调制器的结构参数进行了优化以提高其性能.基于COMSOL Multiphysics的仿真结果表明,当条波导宽度为6μm,氧化锌只覆盖有叉指电极的部分且厚度为2.2μm,控制叉指电极数目为50对时,波导有效折射率变化在驱动电压为1 V时可以达到4.08×10~(-4),比传统结构提高了12%.     

Ultra-low temperature radio-frequency performance of partially depleted silicon-on-insulator n-type metal-oxide-semiconductor field-effect transistors with tunnel diode body contact structures

Radio-frequency(RF) characteristics under ultra-low temperature of multi-finger partially depleted silicon-oninsulator(PD SOI) n-type metal-oxide-semiconductor field-effect transistors(nMOSFETs) with tunnel diode body-contact(TDBC) structure and T-gate body-contact(TB) structure are investigated in this paper.When operating at 77 K,TDBC device suppresses floating-body effect(FBE) as well as the TB device.For TB device and TDBC device,cut-off frequency(f_T) improves as the temperature decreases to liquid-helium temperature(77 K) while that of the maximum oscillation frequency(/max) is opposite due to the decrease of the unilateral power gain.While operating under 77 K,f_T and f_(max) of TDBC device reach to 125 GHz and 77 GHz,representing 8%and 15% improvements compared with those of TB device,respectively,which is mainly due to the lower parasitic resistances and capacitances.The results indicate that TDBC SOI MOSFETs could be considered as promising candidates for analog and RF applications over a wide range of temperatures and there is immense potential for the development of RF CMOS integrated circuits for cryogenic applications.     

短波碲镉汞光伏器件的低频噪声研究

对所研制的短波光伏碲镉汞器件进行了变温电流-电压特性和低频噪声研究，测试温度范围255—293K.实验结果表明随着温度的下降，器件的优值因子R₀A从45×10³Ωcm²增加到7×10⁴Ωcm².器件在低频区的主要噪 声成分是1/f噪声和产生-复合噪声，在高频区主要是散粒噪声.在测试的偏压内，器件的1/f噪声功率谱密度与流过器件的电流的平方成正比，器件的Hooge系数为3×10^-4—7×10^-4.从噪声 功率谱密度曲线分析中得到产生-复合噪声的特征时间常数τ，通过τ的温度特性得到了器件的深能级. 关键词： 碲镉汞 优值因子 低频噪声 深能级     

低相噪光学频率梳

光学频率梳是光钟的重要组成部分,相噪是光梳的基本特性。文章从光梳相噪的描述方法入手,对光学频率梳相噪产生的几种常见来源及相噪抑制技术进行了综述,详细介绍了业已实现的几种低相噪光学频率梳。文末展望了未来低相噪光学频率梳的发展新趋势。     

Impact of back-gate bias on the hysteresis effect in partially depleted SOI MOSFETs

The hysteresis effect in the output characteristics, originating from the floating body effect, has been measured in partially depleted (PD) silicon-on-insulator (SOI) MOSFETs at different back-gate biases. I_D hysteresis has been developed to clarify the hysteresis characteristics. The fabricated devices show the positive and negative peaks in the I_D hysteresis. The experimental results show that the I_D hysteresis is sensitive to the back gate bias in 0.13-μm PD SOI MOSFETs and does not vary monotonously with the back-gate bias. Based on the steady-state Shockley--Read--Hall (SRH) recombination theory, we have successfully interpreted the impact of the back-gate bias on the hysteresis effect in PD SOI MOSFETs.     

Experimental and simulation studies of single-event transient in partially depleted SOI MOSFET

In this study, we investigate the single-event transient(SET) characteristics of a partially depleted silicon-on-insulator(PDSOI) metal-oxide-semiconductor(MOS) device induced by a pulsed laser.We measure and analyze the drain transient current at the wafer level. The results indicate that the body-drain junction and its vicinity are more SET sensitive than the other regions in PD-SOI devices.We use ISE 3D simulation tools to analyze the SET response when different regions of the device are hit. Then, we discuss in detail the characteristics of transient currents and the electrostatic potential distribution change in devices after irradiation. Finally, we analyze the parasitic bipolar junction transistor(p-BJT) effect by performing both a laser test and simulations.     

Au/SrTiO3/Au界面电阻翻转效应的低频噪声分析

本文研究了Au/SrTiO₃/Au三明治结构中的双极电阻翻转效应, 观察到高、低阻态的电阻弛豫现象. 低频噪声测量表明高、低阻态的电阻涨落表现出1/f行为. 对比试验表明, 高阻态的低频噪声来源于反向偏置肖特基势垒和氧空位的迁移, 强度较大, 低阻态的噪声则源于类欧姆接触底电极区域的氧空位迁移导致的载流子涨落, 强度较低. 同时, 界面上氧空位浓度的弛豫导致了高、低阻态的弛豫过程. 关键词： 电阻翻转效应 低频噪声 氧空位     

Low frequency noise and radiation response in the partially depleted SOI MOSFETs with ion implanted buried oxide

Low frequency noise behaviors of partially depleted silicon-on-insulator(PDSOI) n-channel metal-oxide semiconductors(MOS) transistors with and without ion implantation into the buried oxide are investigated in this paper. Owing to ion implantation-induced electron traps in the buried oxide and back interface states, back gate threshold voltage increases from44.48 V to 51.47 V and sub-threshold swing increases from 2.47 V/dec to 3.37 V/dec, while electron field effect mobility decreases from 475.44 cm2/V·s to 363.65 cm2/V·s. In addition, the magnitude of normalized low frequency noise also greatly increases, which indicates that the intrinsic electronic performances are degenerated after ion implantation processing. According to carrier number fluctuation theory, the extracted flat-band voltage noise power spectral densities in the PDSOI devices with and without ion implantation are equal to 7×10-10V2·Hz-1and 2.7×10-8V2·Hz-1, respectively, while the extracted average trap density in the buried oxide increases from 1.42×1017cm-3·e V-1to 6.16×1018cm-3·e V-1. Based on carrier mobility fluctuation theory, the extracted average Hooge's parameter in these devices increases from 3.92×10-5to 1.34×10-2after ion implantation processing. Finally, radiation responses in the PDSOI devices are investigated. Owing to radiation-induced positive buried oxide trapped charges, back gate threshold voltage decreases with the increase of the total dose. After radiation reaches up to a total dose of 1 M·rad(si), the shifts of back gate threshold voltage in the SOI devices with and without ion implantation are-10.82 V and-31.84 V, respectively. The low frequency noise behaviors in these devices before and after radiation are also compared and discussed.     

海面波浪谱对深海低频环境噪声的影响

提出了一种适用于深海低频环境噪声的波浪谱,通过声压谱和波浪谱的理论关系,分析了深海低频噪声在百赫兹以下的谱特征,解释了不同频段噪声谱的主要产生机理。将深海传播条件下海面波浪谱与海面风速相结合,利用波浪发声理论得到一种低频海洋环境噪声理论表示方法。仿真结果表明,波浪谱决定着辐射噪声谱的强度和斜率,本模型得到的理论噪声谱可以对低频海洋环境噪声进行预报。2016年的深海实验观测数据分析显示,统计的环境噪声谱级在1 Hz至100 Hz频段范围内大于70 dB,并且噪声谱在低频段呈倒“N”型,在3⁴ Hz处为噪声谱的谷值,噪声级为70 dB,在50 Hz处为噪声谱的峰值,噪声级为92 dB,通过理论计算和实验对比,相关系数为0.95,理论结果和实验测量对比结果符合较好。     

Analysis of noise properties of an optocoupler device

In the paper, localization of a source of random telegraph signal noise (RTS noise) in optocoupler devices of CNY 17 type was defined. The equivalent noise circuit in low frequency noise for these types of optocouplers was proposed.