不同偏置對NPN雙極晶體管的低劑量率電離輻照損傷的影響

費武雄 陸 嫵 任迪遠 鄭玉展 王義元 陳 睿王志寬 楊永暉 李茂順 蘭 博 崔江維 趙 云

1（中國科學院新疆理化技術研究所 烏魯木齊 830011）

2（新疆電子信息材料與器件重點實驗室 烏魯木齊 830011）

3（中國科學院研究生院 北京 100049）

4（集成電路國家重點實驗室 重慶 400060）

1991年Enlow等[1]發(fā)現(xiàn)，某些雙極器件具有低劑量率損傷增強效應(Enhanced Low Dose Rate Sensitivity，ELDRS)。對于雙極晶體管，其ELDRS效應表現(xiàn)為低劑量率時的電流增益退化遠高于高劑量率[1–9]。在空間輻射環(huán)境中，輻照總劑量的累積較為緩慢，其典型劑量率為 10–6–10–4Gy(Si)/s，則ELDRS效應會危及運行于太空的電子學系統(tǒng)的可靠性，其使用壽命會大為縮短。

衛(wèi)星等空間飛行器中，部分電路處于工作狀態(tài)，部分電路處于備用狀態(tài)。不同狀態(tài)下，雙極晶體管在低劑量率下電離輻照損傷程度是否相同，這值得研究。國內外對不同偏置條件下雙極晶體管電離輻照效應的研究還不多見，Perhenkov V S等[5]研究了最低劑量率為1 mGy(SiO2)/s的ELDRS，發(fā)現(xiàn)零偏置損傷最大。由于雙極器件的電離輻照效應與器件的類型、制造工藝等有密切的關系，且我國的雙極晶體管的制造工藝與國外有一定差異，國外實驗結果不一定適合我國的雙極器件，有必要對國產(chǎn)雙極器件進行系列性的實驗研究。

為了獲得更接近太空實際劑量率時的實驗數(shù)據(jù)，本文在0.13 mGy(Si)/s的劑量率下對國產(chǎn)NPN雙極晶體管進行了不同工作狀態(tài)下的電離輻照效應研究。

1 材料和方法

實驗樣品為集成電路國家重點實驗室提供的國產(chǎn)NPN雙極晶體管。輻照在中國科學院新疆理化技術研究所的60Co γ源上進行。輻照總劑量為 1000 Gy(Si)，輻照劑量率為0.13 mGy(Si)/s。實驗樣品放置于鉛鋁屏蔽盒(根據(jù)美軍標準制作)內，以消除低能散射的影響，防止劑量增強效應的發(fā)生。

樣品輻照時的偏置分為三種：基-射結反向偏置、零偏置及正向偏置。雙極晶體管采用 HP4142半導體參數(shù)分析儀測試，測試參數(shù)為：雙極晶體管基極電流(IB)、集電極電流(IC)和電流增益(β=IC/IB)。輻照和參數(shù)測量均在室溫下進行，每次參數(shù)測試都在輻照或退火后20 min內完成。

2 結果與討論

圖1為低劑量率輻照至不同總劑量的雙極晶體管基極電流(IB)、集電極電流(IC)和電流增益(β=IC/IB)隨基射結電壓VBE的變化。NPN雙極晶體管的IB隨輻照劑量逐漸增加，而IC幾乎保持不變，這表明β=IC/IB隨劑量累積而持續(xù)降低。

圖2、圖3分別為NPN雙極晶體管低劑量率輻照后歸一化電流增益(β/β0，β0為輻照前的增益)和過?；鶚O電流(?IB)隨輻照總劑量的變化規(guī)律。圖中所有數(shù)據(jù)均是在基-射結電壓為0.6 V時測得。由圖2，三種不同偏置下，NPN雙極晶體管的電流增益差異很大，反向偏置時，電流增益衰減程度最大；零偏次之；正偏最小。由圖3，反向偏置下，NPN雙極晶體的過?；鶚O電流最大；而零偏次之，正偏時過剩基極電流最小。

圖1 不同總劑量下的基極電流(IB)、集電極電流(IC)和電流增益(β=IC/IB)Fig.1 Base current (IB), collector current (IC) and the gain (β=IC/IB) of the NPN bipolar transistor irradiated to different total doses.

圖2 不同偏置下，歸一化電流增益隨總劑量的變化Fig.2 Normalized gain vs dose, under different biases.

圖3 不同偏置下，歸一化電流增益隨總劑量的變化Fig.3 Excess base current vs dose, under different biases.

NPN雙極晶體管輻照后電流增益的衰減，主要因出現(xiàn)過剩基極電流而致，且 ?IB越大，電流增益退化越顯著。大量研究表明[2–5,7–9]，NPN 雙極晶體管過量基極電流的出現(xiàn)緣于表面復合電流和耗盡層復合電流增加。基區(qū)上方氧化層中的輻射感生凈正電荷的積累使P型基區(qū)表面耗盡，并與PN結空間電荷層連接起來，增加了耗盡層的總體積，從而使耗盡層復合電流增加。Si-SiO2界面處輻射感生界面態(tài)(特別是位于禁帶中心附近的界面態(tài))作為額外的復合中心，增加了表面復合速率，增大了表面復合電流。因此，對于NPN雙極晶體管，輻照感生凈正氧化物電荷和界面缺陷越多，過?；鶚O電流越大，電流增益衰減越顯著。

不同偏置條件下 NPN晶體管的過?；鶚O電流大小不同和電流增益衰減程度不同，是由于不同偏置條件下氧化層內的電場不同，影響了凈正氧化物電荷的積累和界面態(tài)的產(chǎn)生。不同偏置下氧化層內電場的差異主要表現(xiàn)為：(1) 邊緣電場的方向相同，大小不同；(2) 外加電場的大小方向均相異。下文就其對晶體管的電離輻照損傷的影響分別予以討論。

首先是邊緣電場的影響。雙極晶體管的基-射結上方覆蓋的氧化層中的邊緣電場來源于基-射結(PN結)的內建空間電場，方向由N區(qū)指向P區(qū)?；?射結反向偏置將會增大基-射結的內建電場，從而增強氧化層中的邊緣電場。同理，基-射結正向偏置將降低氧化層中的邊緣電場。邊緣電場模型[5]認為，基-射結上方的SiO2層內的電場是由邊緣電場決定的。邊緣電場的示意圖如圖4所示，不同偏置下其方向相同，大小不同。電離輻射會在晶體管的氧化層內產(chǎn)生大量的電子-空穴對，其中一部分會在極短的時間內原對復合留在產(chǎn)生地，而另一部分將在邊緣電場的作用下分離，并向相反的方向移動。由于室溫下，電子在SiO2內的遷移率是空穴遷移率的百萬倍[2]，因此電子向發(fā)射區(qū)表面移動并很快漂移出氧化層；而空穴則緩慢地向基區(qū)表面方向移動，最后被空穴陷阱俘獲，其中一部分被靠近界面的深陷阱俘獲，成為凈正氧化物電荷。另外，空穴在輸運的過程中釋放出質子(H+)，質子通過漂移擴散輸運到Si-SiO2界面并在界面處與硅-氫鈍化鍵發(fā)生反應生成界面態(tài)[3,6–8]。

圖4 邊緣電場示意圖Fig.4 The schematic of fringing field.

與基-射結零偏置相比，基-射結反向偏置時，邊緣電場將得到增強。由于在室溫下，空穴的逃逸額(即逃脫最初復合的空穴數(shù)量)隨著氧化物電場的增加而迅速增大。因此，邊緣電場的增強增加了空穴的逃逸額，同時也增加了空穴在輸運過程中所釋放的質子(H+)數(shù)量。另外，邊緣電場的增強將會加快電子空穴及質子的輸運。所以反向偏置時，氧化層內有更多的正電荷(包括空穴和質子)沿電場方向輸運到Si-SiO2界面，或被深陷阱俘獲，或發(fā)生反應生成界面缺陷。

同樣與基-射結零偏置相比，基-射結正向偏置時，邊緣電場將被減弱。邊緣電場的減小將會降低空穴的逃逸額和質子濃度。因此，和零偏置相比，空穴逃逸額的降低，沿電場輸運到Si-SiO2界面的正電荷將減少，其體內的凈正氧化物電荷和界面缺陷均減少。

從研究分析可見，僅就邊緣電場的影響而言，NPN雙極晶體管的基區(qū)表面氧化層內凈正氧化物電荷濃度和界面缺陷濃度的大小順序均如下：反偏>零偏>正偏。

另外分析外加電場對輻射感生凈正氧化電荷的積累及界面缺陷產(chǎn)生的影響。

圖5為正向偏置和反向偏置的外加電場示意圖。正偏和反偏時外加電場的方向不同，但大小相同。正偏時，外加電場指向基區(qū)表面，有利于正電荷向界面的運輸；而反偏時，外加電場反向，因此將阻礙正電荷向界面的運輸。因此，同反偏相比，在外加電場的作用下，正偏時基區(qū)表面氧化層內凈正氧化電荷濃度和界面缺陷濃度均要大于反偏。

圖5 外加電場示意圖，a) 正向偏置，b) 反向偏置Fig.5 Schematic illustration of external electric fields under different bias.

綜上所述分析，同一偏置下，外加電場與由外加電壓所改變的邊緣電場屬競爭關系。如反向偏置時，邊緣電場的加強將有利于氧化層內凈正氧化物電荷的積累和界面處界面缺陷的產(chǎn)生，使器件的輻照損傷增強；而外加電場的出現(xiàn)阻礙了正電荷的輸運，不利于氧化層內凈正氧化物電荷的積累和界面處界面缺陷的產(chǎn)生，將使器件的輻照損傷減弱。實驗結果表明，不同的偏置條件對國產(chǎn)雙極晶體管的電離輻射效應的影響，邊緣電場占主要作用，外加電場由于雙極晶體管的氧化層厚度較大，其影響比較小。因此，可以得出主要由于邊緣電場的作用，過剩基極電流增加幅度和歸一化電流衰減程度為反偏時最大，零偏次之，正偏最小。

3 結論

通過上述研究分析，可以得出以下結論：

(1) 低劑量率下，不同偏置對NPN管的電離損傷的影響明顯不同。基-射結反向偏置時，NPN晶體管的過?；鶚O電流最大，電流增益衰減最為顯著；零偏次之；正向偏置損傷最小。

(2) 偏置對低劑量率輻照損傷影響很明顯的原因主要是由于不同偏置條件下的邊緣電場大小不同所引起的：邊緣電場的大小不同，導致界面處積累的正電荷(包括空穴和質子)數(shù)目不同，因此，不同偏置條件下氧化層內的凈正氧化物電荷和界面態(tài)的濃度不同。實驗結果證實了氧化層中的電場對雙極器件電離輻照效應存在顯著影響。

1 En1ow E W, Pease R L, Combs W E,et al. IEEE Trans Nucl Sci, 1991, 38(6): l342–135l

2 Graves R J, Cirba C R, Schrimpf R D,et al. IEEE Trans Nucl Sci, 1998, 45(6): 2352–2360

3 Witczak S C, Member, IEEE, Lacoe R C,et al. IEEE Trans Nucl Sci, 1998, 45(6): 2339–2352

4 Fleetwood D M, Kosier S L, Nowin R N,et al. IEEE Trans Nucl Sci, 1994, 41(6): 1871–1894

5 Perhenkov V S, Maslov V B, Cherepko S V,et al. IEEE Trans Nucl Sci, 1997, 44(6): 1840–1849

6 Boch J, Saigne F, Touboul A D,et al. American Institute of Physics, 2006, 88(23): 232113.1–232113.3

7 陸 嫵, 余學鋒, 任迪遠, 等. 核技術, 2005, 28(12):925–928 LU Wu, YU Xuefeng, REN Diyuan,et al. Nucl Tech,2005, 28(12): 925–928

8 Rashkeev S N, Cirba C R, Fleetwood D M,et al. IEEE Trans Nucl Sci, 2002, 49(6): 2650–2655

9 Schmidt D M, Fleetwood M, Schrimpf R D,et al. IEEE Trans Nucl Sci, 1995, 42(6): 1541–1549