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.     

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。     

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。     

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.     

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.     

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.     

N阱电阻的单粒子效应仿真

利用计算机辅助设计(technology computer aided design, TCAD)软件针对N型阱电阻的单粒子效应开展仿真研究,结果表明单个重离子入射到N阱电阻中会造成器件输出电流的扰动.经过对电阻的工作机理和单粒子效应引入的物理机制进行分析,结果表明重离子在N阱电阻中产生的电子-空穴对中和了N阱电阻中的空间电荷区,使得N阱电阻的阻抗瞬间减小、电流增大,且空间电荷区被破坏的面积越大瞬态电流的峰值越高.随着阱结构中的高浓度过剩载流子被收集,单粒子效应的扰动会消失.但N阱电阻独特的长宽比设计导致器件中的过剩载流子收集效率低、单粒子效应对阱电阻的扰动时间长.文中还对影响N阱电阻单粒子效应的其他因素开展了研究,结果表明重离子的线性能量传输(linear energy transfer, LET)值越高、入射位置距离输入电极越远, N阱电阻的单粒子效应越严重.此外,适当缩短N阱电阻的长度、提高阱电阻的输入电压、降低电路电流可以增强其抗单粒子效应表现.     

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     

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.     

纳米体硅鳍形场效应晶体管单粒子瞬态中的源漏导通现象

体硅鳍形场效应晶体管(FinFET)是晶体管尺寸缩小到30 nm以下应用最多的结构,其单粒子瞬态产生机理值得关注.利用脉冲激光单粒子效应模拟平台开展了栅长为30, 40, 60, 100 nm Fin FET器件的单粒子瞬态实验,研究FinFET器件单粒子瞬态电流脉冲波形随栅长变化情况;利用计算机辅助设计(technology computer-aided design, TCAD)软件仿真比较电流脉冲产生过程中器件内部电子浓度和电势变化,研究漏电流脉冲波形产生的物理机理.研究表明,不同栅长Fin FET器件瞬态电流脉冲尾部都存在明显的平台区,且平台区电流值随着栅长变短而增大;入射激光在器件沟道区下方体区产生高浓度电子将源漏导通产生导通电流,而源漏导通升高了体区电势,抑制体区高浓度电子扩散,使得导通状态维持时间长,形成平台区电流;尾部平台区由于持续时间长,收集电荷量大,会严重影响器件工作状态和性能.研究结论为纳米Fin FET器件抗辐射加固提供理论支撑.     

Temperature and drain bias dependence of single event transient in 25-nm FinFET technology

In this paper,we investigate the temperature and drain bias dependency of single event transient(SET) in 25-nm fin field-effect-transistor(FinFET) technology in a temperature range of 0-135°C and supply voltage range of 0.4 V-1.6 V.Technology computer-aided design(TCAD) three-dimensional simulation results show that the drain current pulse duration increases from 0.6 ns to 3.4 ns when the temperature increases from 0 to 135°C.The charge collected increases from 45.5 fC to 436.9 fC and the voltage pulse width decreases from 0.54 ns to 0.18 ns when supply voltage increases from 0.4 V to 1.6 V.Furthermore,simulation results and the mechanism of temperature and bias dependency are discussed.     

Parasitic bipolar amplification in single event transient and its temperature dependence

Using three-dimensional technology computer-aided design (TCAD) simulation, parasitic bipolar amplification in single event transient (SET) current of single transistor and its temperature dependence are studied. We quantify the contributions of different current components in SET current pulse, and it is found that the proportion of parasitic bipolar amplification in total collected charge is about 30% in both 130-nm and 90-nm technologies. The temperature dependence of parasitic bipolar amplification and the mechanism of SET pulse are also investigated and quantified. The results show that the proportion of charge induced by parasitic bipolar increases with rising temperature, which illustrates that the parasitic bipolar amplification plays an important role in the charge collection of single transistor.     

Parasitic bipolar amplification in a single event transient and its temperature dependence

Using three-dimensional technology computer-aided design (TCAD) simulation, parasitic bipolar amplification in a single event transient (SET) current of a single transistor and its temperature dependence are studied. We quantify the contributions of different current components in a SET current pulse, and it is found that the proportion of parasitic bipolar amplification in total collected charge is about 30% in both 130-nm and 90-nm technologies. The temperature dependence of parasitic bipolar amplification and the mechanism of the SET pulse are also investigated and quantified. The results show that the proportion of charge induced by parasitic bipolar increases with rising temperature, which illustrates that the parasitic bipolar amplification plays an important role in the charge collection of a single transistor.     

高$lt;i$gt;k$lt;/i$gt;栅介质小尺寸全耗尽绝缘体上锗p型金属氧化物半导体场效应晶体管漏源电流模型

通过求解沟道的二维泊松方程得到沟道表面势和沟道反型层电荷, 建立了高k栅介质小尺寸绝缘体上锗(GeOI) p型金属氧化物半导体场效应晶体管(PMOSFET)的漏源电流解析模型. 模型包括了速度饱和效应、迁移率调制效应和沟长调制效应, 同时考虑了栅氧化层和埋氧层与沟道界面处的界面陷阱电荷、氧化层固定电荷对漏源电流的影响. 在饱和区和非饱和区, 漏源电流模拟结果与实验数据符合得较好, 证实了模型的正确性和实用性. 利用建立的漏源电流模型模拟分析了器件主要结构和物理参数对跨导、漏导、截止频率和电压增益的影响, 对GeOI PMOSFET的设计具有一定的指导作用. 关键词： 绝缘体上锗p型金属氧化物半导体场效应晶体管 漏源电流模型 跨导 截止频率     

Substrate bias effects on collector resistance in SiGe heterojunction bipolar transistors on thin film silicon-on-insulator

An analytical expression for the collector resistance of a novel vertical SiGe heterojunction bipolar transistor(HBT) on thin film silicon-on-insulator(SOI) is obtained with the substrate bias effects being considered.The resistance is found to decrease slowly and then quickly and to have kinks with the increase of the substrate-collector bias,which is quite different from that of a conventional bulk HBT.The model is consistent with the simulation result and the reported data and is useful to the frequency characteristic design of 0.13 μm millimeter-wave SiGe SOI BiCMOS devices.     

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.     

SOI metal-oxide-semiconductor field-effect transistor photon detector based on single-hole counting

In this Letter, a scaled-down silicon-on-insulator (SOI) metal-oxide-semiconductor field-effect transistor (MOSFET) is characterized as a photon detector, where photogenerated individual holes are trapped below the negatively biased gate and modulate stepwise the electron current flowing in the bottom channel induced by the positive substrate bias. The output waveforms exhibit clear separation of current levels corresponding to different numbers of trapped holes. Considering this capability of single-hole counting, a small dark count of less than 0.02 s(-1) at room temperature, and low operation voltage of 1 V, SOI MOSFET could be a unique photon-number-resolving detector if the small quantum efficiency were improved.     

绝缘体上硅金属氧化物半导体场效应晶体管中辐射导致的寄生效应研究

基于⁶⁰Co γ射线源研究了总剂量辐射对绝缘体上硅（silicon on insulator,SOI）金属氧化物半导体场效应晶体管器件的影响.通过对比不同尺寸器件的辐射响应,分析了导致辐照后器件性能退化的不同机制.实验表明：器件的性能退化来源于辐射增强的寄生效应;浅沟槽隔离（shallow trench isolation,STI）寄生晶体管的开启导致了关态漏电流随总剂量呈指数增加,直到达到饱和;STI氧化层的陷阱电荷共享导致了窄沟道器件的阈值电压漂移,而短沟道器件的阈值电压漂移则来自于背栅阈值耦合;在同一工艺下,尺寸较小的器件对总剂量效应更敏感.探讨了背栅和体区加负偏压对总剂量效应的影响,SOI器件背栅或体区的负偏压可以在一定程度上抑制辐射增强的寄生效应,从而改善辐照后器件的电学特性.