偏置條件對(duì)NPN型鍺硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管電離輻射效應(yīng)的影響

劉默寒 陸 嫵 馬武英 王 信 郭 旗 何承發(fā) 姜 柯

偏置條件對(duì)NPN型鍺硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管電離輻射效應(yīng)的影響

劉默寒1,2陸 嫵1,2馬武英2王 信2郭 旗2何承發(fā)2姜 柯2

1（新疆大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 烏魯木齊 830046）
2（中國(guó)科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所 烏魯木齊 830011）

本文研究了不同偏置條件下國(guó)產(chǎn)商用NPN型鍺硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(Silicon germanium hetero-junction bipolar transistors, SiGe HBTs)在60Co γ輻射環(huán)境中電離輻照響應(yīng)特性和變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在0.8Gy(Si)·s?1劑量率輻照下，總累積劑量達(dá)到1.1×104Gy(Si)時(shí)，發(fā)射結(jié)反向偏置條件下60Co γ射線(xiàn)輻照對(duì)SiGe HBTs造成的損傷最大，零偏次之，正偏損傷最??；經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的退火后，零偏恢復(fù)程度最小，而正偏和反偏時(shí)的恢復(fù)趨勢(shì)以及程度相同。分析了不同偏置狀態(tài)下其電離輻照敏感參數(shù)隨累積總劑量以及退火時(shí)間的變化關(guān)系，討論了引起電參數(shù)失效的潛在機(jī)理。

鍺硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管，總劑量效應(yīng)，偏置條件，退火

鍺硅異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(Silicon germanium hetero-junction bipolar transistors, SiGe HBTs)由于具有高頻率響應(yīng)、低噪聲、高電流增益、優(yōu)良的低溫特性以及可以與現(xiàn)在極其成熟的Si工藝技術(shù)有著良好的兼容性等特點(diǎn)，在近幾十年來(lái)迅猛發(fā)展，被廣泛應(yīng)用于模擬、數(shù)字電路以及微波射頻通信領(lǐng)域。優(yōu)良的性能使其在空間應(yīng)用上有著廣闊的前景和巨大的市場(chǎng)潛力[1]。而空間極端環(huán)境中應(yīng)用于衛(wèi)星、空間站、空間探測(cè)器等航天領(lǐng)域的電子設(shè)備對(duì)電子元器件的抗輻射性能有著很高的要求，因此有必要對(duì)SiGe HBTs器件的輻射效應(yīng)、損傷機(jī)理、評(píng)估方法以及抗輻射加固技術(shù)進(jìn)行研究。佐治亞理工的Babcock等[2?7]對(duì)SiGe HBTs器件的輻射效應(yīng)進(jìn)行的大量研究工作表明，SiGe HBTs具有良好的抗總電離輻射損傷以及位移損傷的性能；而國(guó)內(nèi)對(duì)SiGe HBTs輻射效應(yīng)的研究還相對(duì)較少[8?10]。

工作于空間環(huán)境中的電子器件通常處于一定的偏置狀態(tài)，出于系統(tǒng)可靠性的考慮，這些電子設(shè)備都有部分處于備用狀態(tài)。晶體管正偏由于具有很好的電流放大能力，故而使用最多。而反偏時(shí)因?yàn)榉聪螂娏髟鲆婧苄?，在電路中使用較少。2003年Zhang等[11]對(duì)IBM第一代鍺硅器件進(jìn)行了不同偏置條件的質(zhì)子輻照實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，EB結(jié)反偏和所有管腳接地?fù)p傷最嚴(yán)重，可以看作最劣偏置。而2006年Bellini等[12]對(duì)SiGe HBTs進(jìn)行的X射線(xiàn)輻照試驗(yàn)卻顯示正偏時(shí)輻照損傷稍大于零偏。清華大學(xué)的孫亞賓等[8]對(duì)自主研制的SiGe HBTs進(jìn)行的低劑量率輻照試驗(yàn)研究表明，正偏時(shí)的損傷比浮空時(shí)要大。文獻(xiàn)[8]、[11?12]表明，SiGe HBTs的電離輻照效應(yīng)與器件類(lèi)型、制造工藝以及輻照源粒子種類(lèi)密切相關(guān)，故而導(dǎo)致不同偏置條件下不同器件的輻照效應(yīng)結(jié)果也不盡相同。因此，有必要對(duì)國(guó)內(nèi)成熟的0.13 μm工藝制作的商用SiGe HBTs器件在不同偏置條件下進(jìn)行輻照試驗(yàn)，以確定其抗輻射性能和最劣偏置，評(píng)估其在空間應(yīng)用的前景。本文利用60Co γ射線(xiàn)對(duì)國(guó)產(chǎn)0.13 μm工藝的商用SiGe HBTs器件進(jìn)行了不同偏置條件下的對(duì)比輻照及退火實(shí)驗(yàn)，研究了其輻照前后基極電流，共發(fā)射極電流增益等電學(xué)特性參數(shù)隨總累積劑量及退火時(shí)間的變化規(guī)律，并對(duì)不同偏置條件下輻照效應(yīng)不同的潛在機(jī)理進(jìn)行了討論。

1 實(shí)驗(yàn)樣品和方法

實(shí)驗(yàn)樣品選用了一款國(guó)產(chǎn)0.13 μm工藝制作的商用NPN型SiGe HBTs，該器件具有低噪聲、高增益、高擊穿電壓以及良好的線(xiàn)性等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于微波射頻及無(wú)線(xiàn)通訊等低噪聲高增益領(lǐng)域。

輻照實(shí)驗(yàn)是在中國(guó)科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所的水貯式60Co γ射線(xiàn)輻照源上進(jìn)行的，輻照劑量率選用實(shí)驗(yàn)室高劑量率0.8 Gy(Si)·s?1。輻照過(guò)程中，器件分別采用了基極-發(fā)射極正偏、基極-發(fā)射極反偏和基極-發(fā)射極零偏三種偏置狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)采取移位測(cè)試的方法，當(dāng)輻射累積總劑量分別達(dá)到5×102Gy(Si)、2×103Gy(Si)、5×103Gy(Si)、1.1×104Gy(Si)時(shí)，將器件從輻照室中移出，利用美國(guó)Keithley公司4200-SCS半導(dǎo)體參數(shù)分析儀在室溫下對(duì)輻照晶體管的參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)試參數(shù)包括：基極電流(IB)、集電極電流(IC)和直流電流增益(β=IC/IB)。完成所有輻照試驗(yàn)以及參數(shù)測(cè)試后，將器件保持與輻照時(shí)相同的偏置條件置于室溫下對(duì)其進(jìn)行退火并測(cè)試器件各電參數(shù)的變化。

圖1 零偏(a)、正偏(b)和反偏(c)時(shí)Gummel特性曲線(xiàn)隨累積劑量的變化Fig.1 Gummel characteristics as a function of total ionizing dose under zero bias (a), forward bias (b) and reverse bias (c).

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖1分別給出了不同偏置條件下SiGe HBTs的Gummel特性隨累積總電離劑量的變化曲線(xiàn)。由圖1，不同偏置狀態(tài)下，隨著基射結(jié)電壓的增大，IB逐漸增大，到VBE=0.8 V時(shí)達(dá)到飽和；隨著總電離劑量的增加，IB不斷增大而IC基本保持不變，且IB的變化隨著基射結(jié)電壓VBE的增大，先增大而后不斷減小，直到達(dá)到飽和，最終導(dǎo)致β如圖2所示。隨著輻照總累積劑量的增加β不斷減小，同時(shí)也表明IB為SiGe HBTs的電離輻射敏感參數(shù)，而集電極電流不受或基本不受電離輻射效應(yīng)的影響。

由圖1和圖2實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，SiGe HBTs經(jīng)過(guò)輻照后IB和β變化比較明顯，隨著總劑量的增加，二者分別不斷增加和降低，而IC基本保持不變。為對(duì)不同條件下SiGe HBTs的輻照響應(yīng)特性進(jìn)行比較，分別引入了兩個(gè)參數(shù)：過(guò)剩基極電流ΔIB(ΔIB=IB-post?IB-pre)和歸一化電流增益βpost/βpre。其中IB-post和IB-pre以及βpost和βpre分別選取了輻照前后VBE=0.6 V時(shí)所對(duì)應(yīng)的IB和β。

由圖3基射結(jié)零偏、正偏和反偏時(shí)ΔIB隨累積總劑量以及退火時(shí)間的變化曲線(xiàn)可以看出，在輻照劑量累積到2×103Gy(Si)時(shí)，三種偏置下的過(guò)?；鶚O電流差異還比較小，但隨著累積劑量的不斷增加，不同偏置條件下的ΔIB之間的差異逐漸增大。可以明顯看出，在總劑量輻照到1.1×104Gy(Si)時(shí)，反偏條件下的基極電流退化最為嚴(yán)重，零偏次之，而正偏最小，且隨劑量的不斷增加三種偏置下其差異趨于飽和。在隨后的不同偏置退火中，三種偏置都有恢復(fù)初值的趨勢(shì)。零偏下，損傷恢復(fù)最小，在短時(shí)間內(nèi)即基本達(dá)到飽和，而反偏和正偏條件下的損傷恢復(fù)趨勢(shì)大致相同，損傷恢復(fù)程度也較零偏時(shí)要大。

圖2 零偏(a)、正偏(b)和反偏(c)時(shí)直流電流增益隨累積劑量的變化Fig.2 Direct current gain as a function of total ionizing dose under zero bias (a), forward bias (b) and reverse bias (c).

圖3 零偏、正偏和反偏時(shí)過(guò)?；鶚O電流隨累積總劑量以及退火時(shí)間的變化Fig.3 Excess base current as a function of total ionizing dose under different bias and annealing time.

圖4 給出了VBE=0.6 V時(shí)，不同偏置條件下歸一化電流增益βpost/βpre隨總累積劑量以及退火時(shí)間的變化曲線(xiàn)。從圖4可以看出，隨著輻照劑量的逐漸增加，電流增益不斷減小?；浣Y(jié)反偏時(shí)，電流增益的退化程度最大，零偏次之，而正偏時(shí)最小?？倓┝窟_(dá)到1.1×104Gy(Si)時(shí)三種偏置下?lián)p傷程度只有輕微的不同，且輻照總劑量達(dá)到0.8×104Gy(Si)時(shí)，其輻照損傷出現(xiàn)飽和趨勢(shì)。而隨著退火時(shí)間的增加，三種偏置下其損傷都有一定程度的恢復(fù)。零偏時(shí)，損傷恢復(fù)程度最小。正偏和反偏時(shí)恢復(fù)程度和過(guò)剩基極電流一樣，基本保持一致的變化趨勢(shì)，但其恢復(fù)程度有限。

圖4 零偏、正偏和反偏時(shí)歸一化電流增益隨累積總劑量以及退火時(shí)間的變化Fig.4 Normalized current gain as a function of total ionizing dose under different bias and annealing time.

由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，SiGe HBTs器件電流增益隨總劑量的增加逐漸退化，主要是由于IB隨輻照累積劑量而增大造成的。而研究表明輻照后IB的增大主要是由于輻照后基區(qū)表面復(fù)合電流的增大引起的?；鶇^(qū)表面復(fù)合電流與氧化物陷阱電荷和界面陷阱電荷的關(guān)系可由下述公式表述：

式中，Ibsr為基區(qū)表面復(fù)合電流；Nit和Not分別為輻照感生的界面陷阱電荷和氧化物陷阱電荷；α=1/2qεε0Na，是與電子的電荷q、絕對(duì)介電常數(shù)ε0、相對(duì)介電常數(shù)ε以及襯底摻雜Na有關(guān)的量。因此，輻照后產(chǎn)生的凈正氧化物陷阱和界面缺陷越多，其IB也就越大，β的退化也就越嚴(yán)重。

高劑量率輻照下，電離輻射在SiGe HBTs發(fā)射結(jié)邊緣隔離氧化物中產(chǎn)生的大量電子空穴，除了在極短時(shí)間內(nèi)大部分復(fù)合外，逃脫初始復(fù)合的電子和空穴在邊緣電場(chǎng)作用下向相反方向移動(dòng)。室溫下，由于電子的遷移率遠(yuǎn)大于空穴，因此電子很快漂移出氧化層外；而空穴在緩慢移動(dòng)過(guò)程中一部分被界面附近的陷阱俘獲，形成凈的正氧化物陷阱電荷；一部分空穴在輸運(yùn)過(guò)程中產(chǎn)生的氫離子（質(zhì)子）輸運(yùn)到SiO2/Si界面，與界面附近由器件制作鈍化工藝形成的硅-氫(Si-H)懸掛鍵結(jié)合形成界面陷阱電荷，即界面態(tài)[13]，界面陷阱電荷形成的最終過(guò)程可以用H+與Si-H懸掛鍵之間的反應(yīng)描述如下：

式中，Pb+為反應(yīng)形成的界面態(tài)。形成的界面態(tài)作為額外的復(fù)合中心增加了表面復(fù)合速度，使表面復(fù)合電流增大。

研究表明，基射結(jié)隔離氧化層中積累的正氧化物陷阱電荷形成的電場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致P型基區(qū)耗盡，使得耗盡層的體積增大，從而引起表面復(fù)合增加，導(dǎo)致基極電流的增加[11,14]。此外，由于基區(qū)表面正電場(chǎng)的存在，使得P型基區(qū)的空穴濃度大幅度減小，從而降低了基區(qū)載流子的濃度差。由肖克萊-里德-霍爾復(fù)合理論可知，理想條件下，最大復(fù)合速率發(fā)生在電子空穴濃度相等時(shí)，載流子濃度差的減小會(huì)使復(fù)合速率增大，在基區(qū)會(huì)產(chǎn)生較大的表面復(fù)合電流，同樣使得基區(qū)表面復(fù)合電流增大，最終共同作用導(dǎo)致了輻照后基極電流的大幅度增加。

在圖1?4中，不同偏置條件下，ΔIB退化程度的不同導(dǎo)致β的退化，主要是由于不同偏置下二氧化硅氧化層內(nèi)不同電場(chǎng)對(duì)凈正氧化物陷阱電荷和界面陷阱電荷的產(chǎn)生有不同影響所致。而不同偏置時(shí)氧化層內(nèi)的電場(chǎng)差異主要來(lái)源于內(nèi)建邊緣電場(chǎng)和外加電場(chǎng)的大小和方向不同。由邊緣電場(chǎng)模型[15]可知，不同偏置下，二氧化硅隔離氧化層內(nèi)邊緣電場(chǎng)的方向相同而大小不同。圖5給出了邊緣電場(chǎng)以及外加電場(chǎng)對(duì)氧化層內(nèi)電離輻射損傷的影響示意圖。

圖5 邊緣電場(chǎng)對(duì)及外加電場(chǎng)對(duì)電離輻射損傷的影響Fig.5 Effects of fringe electric field and applied electric field on ionization radiation damage.

如圖5(a)所示，無(wú)外加電場(chǎng)時(shí)，輻射在氧化層內(nèi)產(chǎn)生的氧化物陷阱電荷均勻分布，使晶體管N型區(qū)表面積累，而P型區(qū)表面耗盡。在基射結(jié)中形成內(nèi)建電勢(shì)，然后在其上方的氧化層內(nèi)產(chǎn)生如圖5(b)所示的邊緣電場(chǎng)，其方向由N區(qū)指向P區(qū)，與內(nèi)建電勢(shì)方向一致。由于邊緣電場(chǎng)的影響，氧化層內(nèi)的氧化物陷阱電荷隨電場(chǎng)漂移形成非均勻分布，從而導(dǎo)致P型區(qū)耗盡層隨著表面積累的氧化物陷阱電荷而增大。

如圖5(c)所示，基射結(jié)反偏時(shí)，邊緣電場(chǎng)增強(qiáng)，導(dǎo)致氧化層內(nèi)電場(chǎng)增大，最終導(dǎo)致逃脫初始復(fù)合的空穴增加，而空穴輸運(yùn)過(guò)程中釋放的質(zhì)子也隨之增加，所以與基射結(jié)零偏相比，基射結(jié)反偏時(shí)，有更多的空穴和質(zhì)子沿著電場(chǎng)輸運(yùn)到Si-SiO2表面，與界面附近的懸掛鍵反應(yīng)，形成界面態(tài)，或者在輸運(yùn)過(guò)程中被深氧化物陷阱俘獲，形成正氧化物陷阱電荷，導(dǎo)致了如圖3所示的過(guò)?；鶚O電流急劇增加。

基射結(jié)正偏時(shí)，邊緣電場(chǎng)被削弱，導(dǎo)致如圖5(d)所示的氧化層電場(chǎng)減弱，從而增加了電子空穴對(duì)的初始復(fù)合，使得逃脫初始復(fù)合的空穴減少，也降低了釋放的氫離子的數(shù)目，延緩了空穴和質(zhì)子的輸運(yùn)，使得氧化層內(nèi)凈正氧化物陷阱電荷和界面態(tài)減少，損傷降低。在邊緣電場(chǎng)的影響下，NPN型SiGe HBT基區(qū)表面隔離氧化層內(nèi)凈正氧化物電荷濃度和界面缺陷濃度的由大到小順序?yàn)椋悍雌?、零偏、正偏，與圖3所示實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，外加電場(chǎng)的作用正好與邊緣電場(chǎng)的作用相反，而外加電場(chǎng)由于雙極器件的氧化層厚度較大對(duì)影響作用較小。從而可以由實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出，不同偏置條件下電離輻射對(duì)國(guó)產(chǎn)SiGe HBTs 的影響，在外加電場(chǎng)與邊緣電場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)作用中，邊緣電場(chǎng)占主導(dǎo)作用。

一般認(rèn)為氧化物淺陷阱電荷由于激發(fā)能較低，室溫下即可快速退火，而界面態(tài)只有在100 °C以上時(shí)才會(huì)發(fā)生有效退火。因此，由圖3和圖4過(guò)剩基極電流和歸一化電流增益隨累積劑量和退火時(shí)間的變化可知，在輻照后的長(zhǎng)時(shí)間室溫退火中，不同偏置下器件損傷恢復(fù)程度不同，是因?yàn)檎头雌珪r(shí)輻照產(chǎn)生的氧化物淺陷阱電荷占主導(dǎo)地位，在室溫時(shí)大量退火導(dǎo)致，而零偏時(shí)產(chǎn)生的界面態(tài)為退化的主要原因，因此導(dǎo)致如圖3所示的輻照后正偏和反偏退火中，在電場(chǎng)作用下氧化物陷阱電荷迅速退火，導(dǎo)致?lián)p傷大幅度減小，而零偏時(shí)室溫退火過(guò)程中只有輕微恢復(fù)，導(dǎo)致了其最終損傷程度略大于正偏和反偏。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)不同偏置下國(guó)產(chǎn)商用SiGe HBT高劑量率輻照和退火效應(yīng)的研究可知，國(guó)產(chǎn)商用SiGe HBTs具有一定的抗總電離輻射劑量的性能，且基極電流和電流增益比集電極電流對(duì)輻射更敏感。輻射在SiGe HBTs基射結(jié)隔離氧化層中誘導(dǎo)產(chǎn)生的界面態(tài)和氧化物陷阱電荷，是引起表面復(fù)合電流的增大，使得基極電流增大，從而進(jìn)一步導(dǎo)致SiGe HBTs器件電流增益退化的主要機(jī)制。在不同偏置條件輻射下，基射結(jié)反偏損傷最大，零偏次之，正偏最小。這主要是由于偏置不同時(shí)，SiGe HBTs器件隔離氧化層內(nèi)邊緣電場(chǎng)大小不同導(dǎo)致氧化物陷阱電荷和界面陷阱電荷數(shù)量不同導(dǎo)致的。綜合可以得出，基射結(jié)反偏可以作為國(guó)產(chǎn)SiGe HBTs器件的最劣偏置。輻照后器件保持正偏和反偏在室溫下經(jīng)過(guò)相同時(shí)間的退火其損傷恢復(fù)到相同水平，而零偏時(shí)其損傷基本保持不變。這可能是因?yàn)椴煌孟逻吘夒妶?chǎng)和外加電場(chǎng)相互競(jìng)爭(zhēng)，導(dǎo)致正偏和反偏時(shí)氧化物陷阱電荷大量積累從而導(dǎo)致基極電流退化，而零偏時(shí)更多界面態(tài)的積累可能是導(dǎo)致其參數(shù)退化的原因。

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CLC TL82, O571.33

Bias effects on total ionizing dose radiation response of NPN silicon-germanium hetero-junction bipolar transistors

LIU Mohan1,2LU Wu1,2MA Wuying2WANG Xin2GUO Qi2HE Chengfa2JIANG Ke2
1(School of Physics Science and Technology, Xinjiang University, Urumqi 830046, China)
2(Xinjiang Technical Institute of Physics & Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Urumqi 830011, China)

Background: Silicon germanium hetero-junction bipolar transistors (SiGe HBTs) technology has been considered to be one of the promising candidate for future space applications due to its exciting built-in tolerance of total ionizing dose (TID) radiation and displacement damage (DD) performance. Purpose: The bias effects on total ionizing dose radiation response of the NPN commercial SiGe HBTs produced domestic were investigated with the60Co γ ray under the different bias of Emitter-Base Junction. And the potential mechanisms of the different responses of the radiation under different bias are analyzed. Methods: The devices were mounted in the irradiation boards with different bias conditions during the irradiation and annealing process, and irradiated to a maximum total ionizing dose level of 11 kGy(Si). The electrical parameters including Gummel characteristics and direct current gain of the devices were measured with Keithley 4200-SCS Semiconductor Parameter Analyzer removed from the irradiation room within 20 min at room temperature before and after each specified value of accumulated dose. Results: The radiation sensitive electric parameters of the SiGe HBTs are base current and current gain. And, the damage of the devices with reverse bias is greater than that of zero bias, the degradation of the forward bias is the smallest. Conclusion: The difference of the radiation response under different bias conditions are due to the different amounts of the oxide and interface trap charge induced by the radiation under diverse electric field.

SIGe HBTs, TID, Bias conditions, Annealing

TL82，O571.33

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.060202

劉默寒，男，1988年出生，2012年畢業(yè)于成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，現(xiàn)為核技術(shù)及應(yīng)用專(zhuān)業(yè)碩士研究生，研究方向?yàn)檩椛湮锢?/p>

陸嫵，E-mail: luwu@ms.xjb.ac.cn

2015-02-02，

2015-03-23