双极器件ELDRS效应研究进展

电离总剂量是航天电子系统辐射效应研究的重要问题,其中双极器件因其特有的低剂量率损伤增强（Enhanced low Dose Rate Sensitivity,ELDRS）效应,已成为航天用双极器件抗电离总剂量效应发展重点突破的方向及难点问题。本文综述了ELDRS效应及低剂量率加速评估技术的研究进展,并结合ELDRS效应难点问题,给出了最新关于ELDRS效应的研究结果。试验结果表明,采用变温辐照方法不仅可以保守地用于双极器件在0~200 krad （Si）范围的ELDRS效应评估,将评估时间从7.7个月缩短至11 h,还可将其应用于双极模拟电路总剂量和单粒子协同效应的评估,同样可以获得保守且快速的评估效果。     

硅双极器件及电路电离总剂量辐照损伤研究

针对硅双极器件及其构成的双极集成电路有着如低剂量率辐照损伤增强效应等不同于其他类型电路的特殊的辐照响应问题, 分析了空间辐射电离总剂量环境及铝屏蔽作用, 双极晶体管及电路总剂量辐照损伤机理, 低剂量率辐照损伤增强效应、规律和电参数变化。通过选取几种典型的双极晶体管和电路进行地面辐照模拟试验和测试, 证明了双极器件及电路的关键参数受辐照影响较大, 特别是对低剂量率辐照损伤增强效应敏感, 低剂量率辐照损伤增强因子基本都大于1.5, 不同双极器件和电路的低剂量率辐照损伤增强效应有着明显的不同, 与器件类型、加工工艺(如氧化层厚度)等密切相关。     

硅双极器件及电路电离总剂量辐照损伤研究

针对硅双极器件及其构成的双极集成电路有着如低剂量率辐照损伤增强效应等不同于其他类型电路的特殊的辐照响应问题, 分析了空间辐射电离总剂量环境及铝屏蔽作用, 双极晶体管及电路总剂量辐照损伤机理, 低剂量率辐照损伤增强效应、规律和电参数变化。通过选取几种典型的双极晶体管和电路进行地面辐照模拟试验和测试, 证明了双极器件及电路的关键参数受辐照影响较大, 特别是对低剂量率辐照损伤增强效应敏感, 低剂量率辐照损伤增强因子基本都大于1.5, 不同双极器件和电路的低剂量率辐照损伤增强效应有着明显的不同, 与器件类型、加工工艺(如氧化层厚度)等密切相关。     

低剂量率60Coγ辐线辐照下SOIMOS器件的退化机理

本文通过实验分析了O．8μm工艺H形栅SOIMOS器件在低剂量率下的1射线总剂量效应．实验结果表明,总剂量相同时,低剂量率的辐照效应更严重,关态偏置条件下的阈值电压漂移大于开态,辐照引起NMOS器件发生kink效应时的漏极电压％升高．研究结果表明：界面态对PMOS器件亚阈值斜率和跨导退化的影响作用不同,主要原因是栅极偏置不同使起作用的界面态数量不同．     

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.     

不同剂量率下锗硅异质结双极晶体管电离损伤效应研究

对于相同制作工艺的NPN锗硅异质结双极晶体管(SiGe HBT), 在不同辐照剂量率下进行⁶⁰Co γ射线的辐照效应与退火特性的研究. 测量结果表明, 两种辐照剂量率下, 随着辐照总剂量增加, 晶体管基极电流增大, 共发射极电流放大倍数降低, 且器件的辐照损伤、性能退化与辐照剂量率相关, 低剂量率下辐照损伤较高剂量率严重. 在经过与低剂量率辐照等时的退火后, 高剂量率下的辐照损伤仍较低剂量率下的损伤低, 即待测SiGeHBT具有明显的低剂量率损伤增强效应(ELDRS). 本文对相关的物理机理进行了探讨分析. 关键词： 锗硅异质结双极晶体管 低剂量率辐照损伤增强 辐照效应     

双极集成电路低剂量率辐射损伤增强效应的高温辐照加速实验

选择了四种典型双极集成电路,在两种不同剂量率下,开展了不同温度的高温辐照加速实验,测量了典型双极集成电路的辐射敏感参数在不同高温辐照下的变化规律。实验结果表明:高温辐照能够给出空间低剂量率辐射损伤增强效应的保守估计,且存在最佳辐照温度,最佳辐照温度随总剂量的增加向低温区漂移,随剂量率的增大向高温区漂移,在相同剂量率和总剂量下,输入级为NPN晶体管的双极集成电路比输入级为PNP晶体管的最佳辐照温度低。     

双极集成电路低剂量率辐射损伤增强效应的高温辐照加速实验

选择了四种典型双极集成电路,在两种不同剂量率下,开展了不同温度的高温辐照加速实验,测量了典型双极集成电路的辐射敏感参数在不同高温辐照下的变化规律。实验结果表明：高温辐照能够给出空间低剂量率辐射损伤增强效应的保守估计,且存在最佳辐照温度,最佳辐照温度随总剂量的增加向低温区漂移,随剂量率的增大向高温区漂移,在相同剂量率和总剂量下,输入级为NPN晶体管的双极集成电路比输入级为PNP晶体管的最佳辐照温度低。     

电荷耦合器件的γ辐照剂量率效应研究

对电荷耦合器件进行了不同剂量率的γ辐照实验,通过多种参数的测试探讨了剂量率与电荷耦合器件性能退化的关系,并对损伤的物理机理进行分析。辐照和退火结果表明:暗信号和暗信号非均匀性是γ辐照的敏感参数,电荷转移效率和饱和输出电压随剂量累积有缓慢下降的趋势;暗场像素灰度值整体抬升,像元之间的差异显著增加;电荷耦合器件的暗信号增量与剂量率呈负相关性,器件存在潜在的低剂量率损伤增强效应。分析认为,剂量率效应是由界面态和氧化物陷阱电荷竞争导致的。通过电子-空穴对复合模型、质子输运模型和界面态形成对机理进行了解释。     

低温低剂量率下金属-氧化物-半导体器件的辐照效应

对金属氧化物半导体(MOS)器件在低剂量率γ射线辐照条件下的剂量率效应以及温度效应进行了研究.对不同剂量率、不同温度辐照后MOS器件的阈值电压漂移进行了比较.结果表明,低剂量率辐照下,感生界面态要受到辐照时间的长短以及生成的氢离子数目的影响,辐照时间越长,生成的氢离子越多,感生界面态密度越大;温度对界面态的影响与界面态建立的时间有关,低温辐照时,界面态建立的时间要加长 关键词： 辐照效应 阈值电压漂移 低剂量率 低温 界面态     

Estimation of enhanced low dose rate sensitivity mechanisms using temperature switching irradiation on gate-controlled lateral PNP transistor

The mechanisms occurring when the switched temperature technique is applied, as an accelerated enhanced low dose rate sensitivity(ELDRS) test technique, are investigated in terms of a specially designed gate-controlled lateral PNP transistor(GLPNP) that used to extract the interface traps(Nit) and oxide trapped charges(Not). Electrical characteristics in GLPNP transistors induced by ~(60)Co gamma irradiation are measured in situ as a function of total dose, showing that generation of Nit in the oxide is the primary cause of base current variations for the GLPNP. Based on the analysis of the variations of Nit and Not, with switching the temperature, the properties of accelerated protons release and suppressed protons loss play critical roles in determining the increased Nit formation leading to the base current degradation with dose accumulation. Simultaneously the hydrogen cracking mechanisms responsible for additional protons release are related to the neutralization of Not extending enhanced Nit buildup. In this study the switched temperature irradiation has been employed to conservatively estimate the ELDRS of GLPNP, which provides us with a new insight into the test technique for ELDRS.     

ELDRS and dose-rate dependence of vertical NPN transistor

The enhanced low-dose-rate sensitivity (ELDRS) and dose-rate dependence of vertical NPN transistors are investigated in this article. The results show that the vertical NPN transistors exhibit more degradation at low dose rate, and that this degradation is attributed to the increase on base current. The oxide trapped positive charge near the SiO₂-Si interface and interface traps at the interface can contribute to the increase on base current and the two-stage hydrogen mechanism associated with space charge effect can well explain the experimental results.     

超深亚微米互补金属氧化物半导体器件的剂量率效应

对0.18 μm互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺的N型金属氧化物半导体场效应晶体管(NMOSFET)及静态随机存储器(SRAM)开展了不同剂量率下的电离总剂量辐照试验研究. 结果表明: 在相同累积剂量, SRAM的低剂量率辐照损伤要略大于高剂量率辐照的损伤, 并且低剂量率辐照损伤要远大于高剂量率辐照加与低剂量率辐照时间相同的室温退火后的损伤. 虽然NMOSFET 低剂量率辐照损伤略小于高剂量率辐照损伤, 但室温退火后, 高剂量率辐照损伤同样要远小于低剂量率辐照损伤. 研究结果表明0.18 μm CMOS工艺器件的辐射损伤不是时间相关效应. 利用数值模拟的方法提出了解释CMOS器件剂量率效应的理论模型.     

ELDRS and dose-rate dependence of vertical NPN transistor

The enhanced low-dose-rate sensitivity (ELDRS) and dose-rate dependence of vertical NPN transistors are investigated in this article.The results show that the vertical NPN transistors exhibit more degradation at low dose rate,and that this degradation is attributed to the increase on base current.The oxide trapped positive charge near the SiO2-Si interface and interface traps at the interface can contribute to the increase on base current and the two-stage hydrogen mechanism associated with space charge effect can well explain the experimental results.     

Effect of elevated temperature irradiation on bipolar devices for space application

ABSTRACT

The application of elevated temperature irradiation for simulating of low dose rate degradation in bipolar devices was considered. The analysis was performed in the framework of the conversion model, which enables to estimate the radiation degradation at any dose rate, temperature and total dose numerically. The possibility of application of the conversion model for the numerical estimation of radiation-induced increase of LM111 input current under low dose rate radiation impact was demonstrated experimentally. A test method using four-stage elevated single temperature irradiation was proposed. The ability of temperature-switching approach for simulation of enhanced low-dose-rate sensitivity was estimated and discussed.     

Si_3N_4钝化层对横向PNP双极晶体管电离辐射损伤的影响机理

航天器中电子器件在轨服役期间,会遭受到空间带电粒子及各种射线的辐射环境的显著影响,易于造成电离辐射损伤.本文采用60Coγ射线辐照源,针对有/无Si_3N_4钝化层结构的横向PNP型(LPNP)双极晶体管,开展了电离辐射损伤效应及机理研究.利用KEITHLEY 4200-SCS半导体参数测试仪测试了LPNP晶体管电性能参数(包括Gummel特性曲线和电流增益等).采用深能级瞬态谱分析仪(DLTS),对辐照前后有/无Si_3N_4钝化层结构的LPNP晶体管的电离缺陷进行测试.研究结果表明,在相同吸收剂量条件下,与无Si_3N_4钝化层的晶体管相比,具有Si_3N_4钝化层的LPNP晶体管基极电流退化程度大,并且随吸收剂量的增加,电流增益退化更为显著.通过DLTS分析表明,与无Si_3N_4钝化层的晶体管相比,有Si_3N_4钝化层的晶体管辐射诱导的界面态能级位置更接近于禁带中心.这是由于制备Si_3N_4钝化层时引入了大量的氢所导致,而氢的存在会促使辐射诱导的界面态能级位置更接近于禁带中心,复合率增大,从而加剧了晶体管性能的退化.     

Effect of ionizing radiation on dual 8-bit analog-to-digital converters （AD9058） with various dose rates and bias conditions

The radiation effects on several properties （reference voltage, digital output logic voltage, and supply current） of dual 8-bit analog-to-digital （A/D） converters （AD9058） under various biased conditions are investigated in this paper. Gamma ray and 10-MeV proton irradiation are selected for a detailed evaluation and comparison. Based on the measurement results induced by the gamma ray with various dose rates, the devices exhibit enhanced low dose rate sensitivity （ELDRS） under zero and working bias conditions. Meanwhile, it is obvious that the ELDRS is more severe under the working bias condition than under the zero bias condition. The degradation of AD9058 does not display obvious ELDRS during 10-MeV proton irradiation with the selected flux.