石墨烯场效应晶体管的X射线总剂量效应

本文针对不同结构、尺寸的石墨烯场效应晶体管(graphene field effect transistors, GFET)开展了基于10 keVX射线的总剂量效应研究.结果表明,随累积剂量的增大,不同结构GFET的狄拉克电压V_Dirac和载流子迁移率μ不断退化;相比于背栅型GFET,顶栅型GFET的辐射损伤更加严重;尺寸对GFET器件的总剂量效应决定于器件结构; 200μm×200μm尺寸的顶栅型GFET损伤最严重,而背栅型GFET是50μm×50μm尺寸的器件损伤最严重.研究表明:对于顶栅型GFET,辐照过程中在栅氧层中形成的氧化物陷阱电荷的积累是V_Dirac和μ降低的主要原因.背栅型GFET不仅受到辐射在栅氧化层中产生的陷阱电荷的影响,还受到石墨烯表面的氧吸附的影响.在此基础上,结合TCAD仿真工具实现了顶栅器件氧化层中辐射产生的氧化物陷阱电荷对器件辐射响应规律的仿真.相关研究结果对于石墨烯器件的抗辐照加固研究具有重大意义.     

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(IB)的退化,其作用机理是电离辐射在SiO2中及Si/SiO2界面作用导致的氧化物陷阱电荷面密度(Not)和界面陷阱电荷面密度(Nit)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IB,Not,Nit的...     

CMOS电路总剂量效应最劣偏置甄别

采用电路分析和解析建模方法研究了CMOS电路中甄别总剂量效应最劣辐照与测试偏置的问题。通过引入小规模模拟电路和数字电路的例子进行具体分析,获取了不同电路的最劣偏置情况。对于数字电路,引入了敏感因子的概念用于定量计算不同辐照与测试偏置组合下电路的总剂量效应敏感程度。利用实测数据或电路仿真结果对甄别结果进行了一一验证,得到相一致的结论,证明了该研究思路的正确性。     

甲基苯基乙烯基硅橡胶电离总剂量效应

甲基苯基乙烯硅橡胶具有耐高低温、防震等独特优势,在航天器的减震、密封等领域具有广泛应用前景。研究了甲基苯基乙烯基硅橡胶的电离总剂量效应。结果表明,随着辐射剂量的增加,甲基苯基乙烯基硅橡胶的力学性能出现了不同程度的退化。拉伸强度和撕裂强度变化规律以1106 Gy(Si)剂量点为分界点。低于该剂量,拉伸和撕裂随剂量增加快速下降;高于该剂量时,随辐照剂量增加,拉伸强度出现一定程度反弹,呈现出宽U形,而撕裂强度则是先增加后下降。拉断伸长率和邵氏硬度A随辐照剂量增加分别出现快速下降和增加,最终接近饱和。最后,从辐射交联和裂解方面讨论了甲基苯基乙烯基硅橡胶电离总剂量效应的潜在物理机制。     

大规模集成电路抗辐射性能无损筛选方法

空间辐射环境会对电子器件产生辐射损伤。由于商用器件性能普遍优于抗辐射加固器件,所以从商用器件中筛选出抗辐射性能优异的器件将在一定程度上提高空间电子系统的可靠性。结合数学回归分析与物理应力实验的方法,研究了集成电路抗辐射性能无损筛选技术。通过不同的外界能量注入及总剂量辐照实验,探究电路典型参数的应变情况与电路耐辐射性能的关系,并确定其辐射敏感参数;建立预测电路抗辐射性能的多元线性回归方程,并对应力条件下的回归方程进行辐照实验验证。结果显示,物理应力实验与数学回归分析结合的筛选方法减小了实验值与预测值的偏差,提高了预估方程的拟合优度和显著程度,使预估方程处于置信区间。     

大规模集成电路抗辐射性能无损筛选方法

空间辐射环境会对电子器件产生辐射损伤。由于商用器件性能普遍优于抗辐射加固器件,所以从商用器件中筛选出抗辐射性能优异的器件将在一定程度上提高空间电子系统的可靠性。结合数学回归分析与物理应力实验的方法,研究了集成电路抗辐射性能无损筛选技术。通过不同的外界能量注入及总剂量辐照实验,探究电路典型参数的应变情况与电路耐辐射性能的关系,并确定其辐射敏感参数;建立预测电路抗辐射性能的多元线性回归方程,并对应力条件下的回归方程进行辐照实验验证。结果显示,物理应力实验与数学回归分析结合的筛选方法减小了实验值与预测值的偏差,提高了预估方程的拟合优度和显著程度,使预估方程处于置信区间。     

γ射线作用下氧化铪基MOS结构总剂量效应研究

使用原子层淀积方法得到了7.8 nm厚度的HfO₂薄膜并通过直接溅射金属铝电极得到了Al/HfO₂/Si MOS电容结构,测量得到了HfO₂基MOS结构在⁶⁰Co γ射线辐照前后的电容-电压特性,使用原子力显微镜得到了HfO₂薄膜在辐照前后的表面微观形貌,使用X射线光电子能谱方法测量得到了HfO₂薄膜在辐照前后的化学结构变化。研究发现,使用原子层淀积方法制备的HfO₂薄膜表面质量较高;γ射线辐照在HfO₂栅介质中产生了数量级为10¹² cm^-2的负的氧化层陷阱电荷;HfO₂薄膜符合化学计量比,介质内部主要的缺陷为氧空位且随着辐照剂量的增加而增加,说明辐照在介质中引入了陷阱从而导致MOS结构性能的退化。     

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.     

铁电存储器~(60)Co γ射线及电子总剂量效应研究

以型号为FM28 V100的铁电存储器为研究对象,进行了~(60)Co γ射线和2 Me V电子辐照实验.研究了铁电存储器不同工作方式、不同辐射源下的总剂量辐射损伤规律,用J-750测试部分直流参数和交流参数,分析了存储器敏感参数的变化规律.实验结果表明:对动态、静态加电、静态不加电三种工作方式下的结果进行比较.其中静态加电工作方式下产生的陷阱电荷最多,是存储器最恶劣的工作方式;器件的一些电参数随总剂量发生变化,在功能失效之前部分参数已经失效;在静态加电这种最恶劣的工作方式下,得到~(60)Co γ射线比电子造成更加严重的辐照损伤.     

深亚微米金属氧化物场效应晶体管及寄生双极晶体管的总剂量效应研究

为从工艺角度深入研究航空航天用互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺混合信号集成电路总剂量辐射损伤机理, 选取国产CMOS 工艺制作的NMOS晶体管及寄生双极晶体管进行了⁶⁰Coγ射线源下的总剂量试验研究. 发现: 1) CMOS工艺中固有的寄生效应导致NMOS晶体管截止区漏电流对总剂量敏感, 随总剂量累积而增 大; 2) 寄生双极晶体管总剂量损伤与常规双极晶体管不同, 表现为对总剂量不敏感, 分析认为两者辐射损伤的差异来源于制作工艺的不同; 3)寄生双极晶体管与NMOS晶体 管的总剂量损伤没有耦合效应; 4)基于上述研究成果, 初步分析CMOS工艺混合信号集成电路中数字模块及模拟模块辐射损伤机制, 认为MOS晶体管截止漏电流增大是导致数字模块功耗增大的主因, 而Bandgap电压基准源模块对总剂量不敏感源于寄生双极晶体管抗总剂量辐射的能力. 关键词： 总剂量效应 N沟道金属氧化物场效应晶体管 寄生双极晶体管 Bandgap基准电压源     

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。     

Study of total ionizing dose radiation effects on enclosed gate transistors in a commercial CMOS technology

This paper studies the total ionizing dose radiation effects on MOS (metal-oxide-semiconductor) transistors with normal and enclosed gate layout in a standard commercial CMOS (compensate MOS) bulk process. The leakage current, threshold voltage shift, and transconductance of the devices were monitored before and after $\gamma $-ray irradiation. The parameters of the devices with different layout under different bias condition during irradiation at different total dose are investigated. The results show that the enclosed layout not only effectively eliminates the leakage but also improves the performance of threshold voltage and transconductance for NMOS (n-type channel MOS) transistors. The experimental results also indicate that analogue bias during irradiation is the worst case for enclosed gate NMOS. There is no evident different behaviour observed between normal PMOS (p-type channel MOS) transistors and enclosed gate PMOS transistors.     

Parasitic effects of air-gap through-silicon vias in high-speed three-dimensional integrated circuits

In this paper,ground-signal-ground type through-silicon vias(TSVs) exploiting air gaps as insulation layers are designed,analyzed and simulated for applications in millimeter wave.The compact wideband equivalent-circuit model and passive elements(RLGC) parameters based on the physical parameters are presented with the frequency up to 100 GHz.The parasitic capacitance of TSVs can be approximated as the dielectric capacitance of air gaps when the thickness of air gaps is greater than 0.75 μm.Therefore,the applied voltage of TSVs only needs to achieve the flatband voltage,and there is no need to indicate the threshold voltage.This is due to the small permittivity of air gaps.The proposed model shows good agreement with the simulation results of ADS and Ansoft's HFSS over a wide frequency range.     

Analysis of ultra-small photonic large scale integrated circuits

A detailed study of a platform of ultra-small photonic large-scale integrated circuits was conducted. Bandgap structure calculations of silicon-on-insulator (SOI) based photonic crystals have been investigated. The photonic crystal consists of dielectric cylinders in air. Using the band structure calculations we obtained design parameters for the proposed structures. The coupling between the photonic crystal and a waveguide fabricated from SOI system has been analysed. It is shown that the optical coupling is improved by interfacing different types of spot-size converters (SSCs) between the SOI waveguide and the photonic crystal. Also, the possibility and limitations of silicon doped germanium and SOI photonic crystals to analyse the light guiding in the third dimension is discussed.     

超深亚微米器件总剂量辐射效应三维数值模拟

本文分析了浅槽隔离(STI)结构辐射诱导电荷的分布情况,给出一种模拟超深亚微米器件总剂量辐射效应的新方法.研究结果表明,如果在栅附近沿着STI侧墙不加辐照缺陷,仿真出的0.18 μm超深亚微米晶体管亚阈区I-V特性没有反常的隆起,并且能够很好地反映试验结果.在研究总剂量辐照特性改善方面,在剂量不是很大的情况下,采用超陡倒掺杂相对于均匀掺杂能有效地减小辐照所引起的泄漏电流.如果采用峰值(Halo)掺杂,不仅有利于提高超深亚微米器件的抗辐照能力,而且在大剂量的情况下,可以得到明显的效果. 关键词： 总剂量 超陡倒掺杂 Halo掺杂 辐射效应     

CMOS电路瞬态辐照脉冲宽度效应的实验研究

在“强光一号”加速器上,对两种CMOS反相器和一种CMOS存储器进行了长脉冲状态和短脉冲状态下的辐照实验,测量了CMOS电路的瞬时辐照效应规律,得到了CMOS电路辐射损伤阈值与脉冲宽度的关系,分析了CMOS电路在不同脉冲宽度下的效应差异。实验结果表明：CMOS电路的辐射损伤阈值随脉冲宽度的增加而降低,在20 ns的脉冲宽度辐照下,CMOS反相器4007和4069的闩锁阈值大约为150 ns脉冲辐照下的2倍,CMOS存储器6264的翻转阈值在20 ns脉冲宽度辐照下为150 ns脉冲宽度辐照下的3倍。     

微电路FPGA的γ电离总剂量效应与加固技术

讨论了Actel公司的FPGA芯片A1280XL在有偏置和无偏置条件下的γ电离总剂量效应,试验结果表明偏置条件对FPGA芯片电离总剂量效应有较大影响,在有偏置下FPGA芯片A1280XL失效阈最小,为12.16 Gy(Si);无偏置时FPGA失效阈最大,为33.2 Gy(Si)。对芯片内部结构进行了辐射效应分析,并提出一些加固方法提高器件的抗总剂量能力,如电路设计中采用冗余技术来实现对故障的检测和隔离,以及选取适当的屏蔽材料对器件进行屏蔽。     

国产星用VDMOS器件总剂量辐射损伤效应研究

研究了两种国产星用VDMOS器件在不同偏置条件下的总剂量辐射损伤效应, 探讨了器件的阈值电压、击穿电压、导通电阻、漏电流等电参数随累积剂量、退火时间的变化关系. 实验结果表明这两种国产星用VDMOS器件辐照后电参数符合技术指标, 满足在复杂空间电离辐射环境下工作的要求.此外, 通过对器件在不同偏置条件下的总剂量辐射损伤效应进行研究, 对其他型号星用VDMOS器件工艺和设计的进一步改进, 具有参考作用.     

沟道宽长比对深亚微米NMOSFET总剂量辐射与热载流子损伤的影响

本文对不同沟道宽长比的NMOSFET进行了辐射与热载流子应力的试验研究,电参数测量数据表明: 虽然两种损伤的原理具有相似之处,但总剂量辐射与热载流子的损伤表现形式及对沟道宽长比的依赖关系均不同.辐射损伤的最大特点是关态泄漏电流增加,并且损伤与沟道宽长比成反比;热载流子损伤会造成跨导等参数的显著变化,但关态泄漏电流无明显改变,并且损伤随沟道长度与宽度的减小而增大.从二者基本原理出发,结合宏观参数的表现形式,文中对辐射与热载流子损伤进行了详细分析,认为造成二者损伤差异及对沟道宽长比不同依赖关系的原因在于辐射与热载子注入引入的陷阱电荷部位不同.因此对两种损伤进行加固时应重点从器件设计尺寸、结构等方面综合考虑.