InGaP_GaAsHBT伽马辐照效应研究

摘要 摘 要 与同质结双极型晶体管相比，异质结双极型晶体管具有更为优越的频率特性。在众多材料内部不存在深能级的复合中心，且具有较强的抗辐照性能，因此别是在航天、军事、核辐射等应用领域。 本文采用察了辐照效应并研究了退化机理。对辐照总剂量最高达10 i)。辐照后 成电流增益下降；退火后基极电流继续上升，以上两种变化幅度都随着总剂量的增大而增大。辐照后降幅度也随着总剂量的上升而增大；退火后截止频率略有下降。分析了辐照后器件特性退化的机理。基极电流上升的直接原因是辐照引起发射区少数载流子寿命的下降，根本原因是辐照引起的界面态密度上升；特征频率下降，这是由辐照引起基极集电区空间电荷区电子迁移率减小影响的，从物理机理上说是辐照在半导体器件内部产生了位移损伤，导致载流子的散射几率上升，从而使迁移率下降。 对究了立了一个简化的据辐照实验的结果对用来描述在直流方面，改进了其基极电流公式，在其非理想系数正后的基极电流公式可以很好的描述基极电流随着 辐照总剂量的变化关系。 在交流方面，改进了传输时间函数表达式，在正向传输时间正后的模型很好的反映了辐照后关键词：辐照 to BT is no of it a of in In ins BT is up 0 BTs to of BTs to of on is by of is by of of by to so to of to BT In C is A is in In C is A is in F. of BT 目录 I 目 录 第一章 绪论.二章 .器件结构.工作原理.辐射环境.章小结.三章 辐照实验研究.辐照实验.电学特性测试.频率特性.四章 修正的.立简化的.简化的.电阻参数提取.电流参数提取.电容参数提取.渡越时间函数参数提取. 模型整体拟合.辐照前、后和退火后参数值比较.I 目录 .渡越时间函数修正.章小结.五章 结束语.文的研究成果.分析了的辐照效应.建立了简化的.修正了.谢.考文献.究成果.一章 绪论 1 第一章 绪 论 究目的和意义 随着科学技术的发展，特别是空间技术和军事技术的发展，越来越多的半导体器件都被应用在空间辐射环境中。空间环境里有各种高能质子、高能电子、子、射线等宇宙射线，高性能电子器件在这种空间环境下工作时，或多或少会受到空间辐射的影响，可能会极大的降低系统的可靠性，据我国在轨运行卫星的一场报告分析表明，有空间环境辐射效应所造成的异常故障占总故障的401。现今，如何减少微电子器件的辐照损伤，已成为空间技术的热点。 因其抗辐照性能差，在空间领域中受到诸多限制。了禁带宽、本征温度高、临界击穿电场高、热导率高、电子饱和速度高等特点，还因其良好的抗辐照特性而广泛应用于空间领域，成为历史上第一个。其中， 其优良特性而被广泛应用于空间环境中。区不易穿通，从而可以减小基区厚度，使基区电阻很小，最高振荡频率射区可以低掺杂，发射结势垒电容降低，晶体管的截止频率且，存在深能级复合中心。此外，品率高、采用半导体绝缘衬底拥有更好的隔离、偏置方便等优点。 以研究其辐照效应、分析其辐照损伤机理有着十分重要的意义。 另外，随着 件的应用越来越广泛，对其模型精度的要求也越来越高。 一个好的器件模型可以准确反映实际器件在各种情况下的工作状态，预测可能发生的故障，调整参数，使器件工作在安全状态下。例如，在最初的晶体管模型是没有温度参数，其模型参数是在固定的温度下提出的，因此也只能反映该固定温度下晶体管的特性；随着研究的逐渐深入，用该模型来模拟仿真晶体管在其它温度下的工作状态时，存在较大的误差；为减小这种误差，包含温度参数的晶体管模型被建立起来。 同理，对于工作在辐射环境中的器件，也存在类似于温度一样的因子辐2 辐照研究 照因子，用来描述空间辐照环境对器件的影响。 所以，在设计应用在辐射环境中的电路时，对其中引入辐照因子使模型能更好的反映实际器件的状态是十分必要的。 究现状 早在1979年. . 研究了验结果表明，年来，随着材料和器件的逐步成熟，2000年报道了剂量为1i)，对比了括直流特性、频率特性和噪声特性的实验结果，并做了简单的分析，研究结果表明2003年，对子和电子辐照效应进行了研究。在低能量密度的质子和中子辐照下，产生一个小的减小的电流增益，在更高的能量密度，增益退化观察其大小更明显。在电子辐照的情况下，同剂量下增益变化非常小。除了增益退化，中子辐照还会导致位移引起在基极2005年J. 报道了硅锗异质结双极晶体管的固有的抗辐射特性，使他们成为一个前端读出的014，015 p/达到60厘米和20厘米半径分别升级的试的性能结果远远优于2010年四川大学龚敏教授等人7报道了究了究了电子辐照对出结论，辐照后种变化与辐照总剂量有关。 目前的研究已经表明，以在强辐照环境中长期应用。 对于究得比较多的是子、质子、粒子、射线辐照后器件特性的变化。其次是对件辐照效应的研究，而对于 并且，在这些研究中对们都是通过实验来模拟空间环境的，都是在短时间内达到很高的总剂量，在这个过程中只是模拟了总剂量对器件的影响，没有考虑时间对器件的影响。但是有些辐照效应第一章 绪论 3 并不是辐照后就有效果的，而是辐照后一段时间，即退火后才会显现出来，因此研究退火后的辐照效应也是十分必要的。 对于描述泛应用于集成电路设计领域。随着集成电路的发展，2002年 提出了一种用的是数值拟合的方法，将温度对碰撞电离效应的影响加入到正了该模型具有更好的温度特性。 2005年对广泛应用的改后增加了新功能，如考虑了高电流电流反向发射基地注入和电流。实验结果表明，新的提法准确模型很好地模拟了2005年刘军, 孙玲玲等人10针对原有模型的本征模块基础上加入外围电路来表征异质结的特性，其非本征模块采用了简单的反馈形式。 2006年1给出了基于入了电流阻挡效应和集电区电荷调制效应，新的大信号模型的仿真结果与测试结果基本上是一致。 2009年曹玉雄、金智等人12提出一种基于模型除了描述包括了用来反映自热效应、极集电极电容和集电极传输时间的参数。使该模型很好的描述了，2010年3对虑到改了大信号模型的传输电流和延迟时间表达式。测试和仿真结果表明，这些改进改善了模型更符合实际的情况。 如今，虑到辐照对有的模型已不能准确反映此，引入辐照因子的模型显得十分重要，但关于这方面的研究鲜有报道。 文的主要研究内容 本文主要是研究了用m 行了辐照实验，并对实验结果进行了分析，根据实4 辐照研究 验结果，建立了引入辐照因子的文共分为五章，结构如下： 第一章 介绍了化合物半导体器件辐照研究的背景，回顾了国内外化合物半导体器件辐照和出了本论文的研究目的、意义、现状和工作安排。 第二章 研究了射环境和质结能带结构可以产生一个能带差（从而协调晶体管增益与频率之间的矛盾，这使得其中， 质结而产生许多独特的优越性而倍受重视。另外，因为以该器件广泛应用于辐射环境中。辐射环境主要包括空间环境、高能物理实验室、核环境、天然环境和加工工艺环境。可以用射线模拟辐射环境来进行实验并分析问题，经前人分析得到的辐照对1）辐照引起钝化层中的正氧化物电荷数量增加；（2）辐照引起钝化层与器件之间的界面态密度3）辐照使半导体内部产生位移损伤。在本章的最后简单研究了常用的描述异质结双极型晶体管（大信号模型。 第三章 开展了辐照总剂量最高达10 i)。发现辐照后 成电流增益下降，退火后基极电流继续上升，以上两种变化随着总剂量的增大而增大。辐照后截止频率 降幅度随着 总剂量的上升而增大，退火后上面的情况进行了分析，辐照后基极电流)下降导致的。截止频率(降，这是由辐照引起基极集电区空间电荷区电子迁移率(n)减小影响的。并在物理机理上进行了深入分析。 第四章 开展了出了引入辐照因子的先，对型是一个四端器件，分别为基极(发射极(集电极(衬底(其内部结构包括一个完整的 型为基础的 体管部分和部分型为基础的 体管。此外，型还包括 2 个子电路(用来描述超量相位(自热效应(然后，对提出了一个简化的过过正、反向过过截止频率的计算得到渡越时间参数；最后将所有参数结合在一起，得到一个简化的后，根据辐照实验的结果，对这个用第一章 绪论 5 来描述直流方面，改进了其基极电流公式，在基极电流的非理想系数正后的基极电流 辐照总剂量的变化关系。在交流方面，改进了传输时间函数表达式，在正向传输时间正后的模型很好的反映了辐照后第五章 总结了本论文的主要工作，并对 辐照研究 第二章 7 第二章 质结双极型晶体管(现代半导体集成电路中所采用的器件之一，在众多异质结构材料体系中，外还因其抗辐照特性强，所以在空间领域，该器件有着广泛的应用。本章首先研究了后总结了辐射环境和后对 器件结构 图 出了一个 件结构示意图。如图所示，一般的高掺杂掺杂的掺杂的文所用的其发射结为异质结（异质结。 射极基区 基区集电极 次集电区n 集电极p 基区射区+N 帽层钝化层 钝化层8 辐照研究 作原理 （一）物理参数 由参考文献14可知，该写代表禁带宽度大），下表是基本的他物理参数可通过这些参数计算的到。 表2数 位 eV 017 018 V 71018 019 子亲和势 .1 据参考文献15，设一个异质结，其中一种材料的电子亲和能为 1、禁带宽度为导体功函数为1，另一种半导体的电子亲和能为2、禁带宽度为导体功函数为2，结合上面的物理参数和实际器件中1+ 2 + 12。 质结就属于上面这种情况。因此，可以做出如图 示的能带图。与一般禁带宽度不一样外，最主要的差别是导带和价带不连续产生的里还要注意一点，与常见的（a）接触前 E 第二章 9 （b）接触后 区 集电区反向注入电流正向注入电流扩散漂移射区 p 基区 n 集电区CE辐照研究 加了偏压之后的情况14 。简单来说，这样的能带结构可以协调增益与频率之间的矛盾。 具体而言，对于一个一般 们忽略基区复合电流和集电区反向饱和电流。那么基极电流（集电极电流（近似为： 2pE n V (22nB n V (2其中，q 电子电荷量，射区面积，射区掺杂浓度，射区厚度， 常我们假设此可以用于JT，以，上面两个公式比即为正向电流增益（）： nB C EB B I D X N N (2从上面的公式可以看出，为了得到较高的电流增益，必须使是轻掺杂的基区（即增加基极电阻这将影响器件的频率特性， (2对于 式(3(3然适用，但是，因为异质结的原因，公式(2被修改为： N X N (2其中， g C E (2这里是温度。由公式(2知，增益 既受掺杂浓度的影响，也与关于为指数相很大，所以高掺杂的基区（即 不会对 产生太大的影响，即使 就解决了器件增益与频率之间的矛盾16。此外，且不含 存在深能级复合中心，工艺宽容度大，材料成本较品率高、采用半导体绝缘衬底拥 第二章 11 有更好的隔离、偏置方便等优点。 辐射环境 辐射环境主要包括空间环境、高能物理实验室、核环境、天然环境和加工工艺环境。 空间环境就是指卫星，航天飞机的工作环境，在这种环境中主要包括以下几种粒子：范艾伦带中捕获的质子和及电子；宇宙射线中的质子及重离子；太阳耀斑产生的质子及重离子；电磁层中捕获的重离子。目前最为关注的质子、电子、中子和射线。在实验中，人们也是通过这些射线来模拟空间环境。 高能物理实验室就是用来模拟空间环境的实验环境，在这些实验室中可以产生上面所需要的几种射线，例如介子同介子相互作用就可以产生粒子 17，当然，也可以用60核环境主要指的是核反应堆，在核反应堆附近的环境中会产生许多类似于空间环境那样的射线，在这些射线中，最主要的两种射线是 射线和中子射线。这是因为这些射线的存在，所以在这样的环境中工作的半导体器件必须考虑这些射线的影响，做好抗辐射加固工作。 天然环境是指在器件的封装环境，器件的封装材料、互联金属和倒装焊求对半导体材料的影响。因为它们之中可能包含许多放射性的物质，引起器件的改变。在着中环境中，小尺寸的器件收到这种影响的几率较大。 加工工艺环境是指半导体器件的制作过程，例如常见的离子注入、刻蚀、光刻、化学气相淀积、蒸发和溅射等工艺步骤都会引入或多或少的辐射粒子。这些粒子也会产生类似于空间环境一样的效果，因此在设计器件时，也应考虑这些因素对器件的影响。 在这些辐射环境中我们关注最多的是空间环境。因为研究的主要是工作的空间环境中的器件。 照对8。 第 1 种是辐照引起变器件材料和钝化层界面的表面势变化。这主要是由正氧化物电荷引起的，射线就可以产生这种正氧化物电荷，这些正氧化物电荷在半导体器件材料和钝化层之间堆积，造成所对应区域半导体材料能带的变化。对于 辐照研究 型半导体，正氧化物电荷在表面处堆积会在半导体内部感应出电子，从而造成半导体内部电子堆积；对于 p 型半导体，正氧化物电荷在表面处堆积同样会在半导体内部感应出电子，这会导致 p 型半导体耗尽，严重的情况下会反型。具体的情况如下图所示。 2 类损伤是辐照引起表面态密度增大。表面态可以分为快表面态和慢表面态，快表面态是指存在于半导体材料和钝化层之间的表面态，慢表面态是指存在于钝化层和空气之间的表面态。其中快表面态直接影响表面态间接影响为经过一段时间后，慢表面态可以转成快表面态。 第3类损伤是位移损伤，是指辐照粒子撞击到其偏离了原有的位置。这种损伤的程度主要取决于辐射粒子能量的大小，在我们下面所要进行总剂量辐照实验中，位移损伤发生的概率较小。 质结双极型晶体管（基本器件结构和工作原理和一般的双极型晶界面钝化层 第二章 13 体管（本相同，可以参照常用的描述P）模型，型，高电流双极型紧凑晶体管（型（垂直双极晶体管（型（安捷伦异质结双极型晶体管大信号模型（BT 以及一些在上述模型基础上提出的改进模型。其中改进的模型常用自己定义符号建模（法（立。 型19是最初的大信号模型，采用了电荷模型，描述了厄利效应和 还有许多的缺点，如，模型的输出电导 于寄生电容和寄生晶体管的描述不够中准确，模型中没有精确的温度模块，没有雪崩效应模块和自热模块。 0是一种完全基于器件物理工作机理的模型，该模型中所用的方程都是直接由器件的物理特性推导而来的，模型中所采用的电压、电流、电阻，传输时间等参数都不是简单通过拟合而得到的数值，而是具有一定的物理意义的参数。但是这种模型相当复杂，建立起来相当麻烦，对于物理机制的研究有一定的意义，但是对于工程性的项目来说意义不大。 型21 侧重于高速电子产品的电路设由 型（化而来，但由于各软件之间的兼容问题，限制了该模型的应用。 型22 是 1995 年，由来自于集成电路业和计算机辅助设计行业的众多代表之间展开了积极的合作，经过共同的努力创造出来的。它是一个四端器件，分别为基极(发射极(集电极(衬底(其内部结构包括一个完整的 型为基础的 体管部分和部分型为基础的 体管。此外，型还包括 2 个子电路(用来描述超量相位(自热效应( 型23是安捷伦的 取程序是作为一个附加的产品。安捷伦以满足各种砷化镓和磷化铟（电源和混合信号）模型已成功地在这些不同的技术与安捷伦的内部 外，该模型也可以用 是该模型的参数比较多，比以在整体的参数把握上有一定难度。 4是安捷伦公司为用户建立模型而开发的基于公式实现的模块，用户可以根据自己的实际情况自由定义关系方程。于模型内不同结点间的电压而设计表示整个模型电路。图中的公式代表了各个节点之间的关系，是用户通过自己编写输入的，十分的方便，可以输14 辐照研究 章小结 本节研究了射环境和要包括以下几点内容： 1. 研究了区采用窄带隙材料，解决了基极电阻与发射极注入效率之间的矛盾，从而同时获得了高电流增益和高工作频率。其中对做出了接触前和接触后的能带图。 2. 研究了辐射环境和 照损伤机理。辐射环境包括空间环境、高能物理实验室、核环境、天然环境、加工工艺引入的辐辐射。在射损伤机理，主要损伤机理分为 3 种：第 1 种是被俘获的正氧化物电荷，改变界面处的表面势，从而影响2类特性退化的来源是基极而使根本原因是钝化层与半导体器件材料之间的界面态3类的特性退