輻照溫度對(duì)雙極線性穩(wěn)壓器的輻射效應(yīng)影響

孫 靜 陸 嫵 鄧 偉 郭 旗 余學(xué)峰 何承發(fā)

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輻照溫度對(duì)雙極線性穩(wěn)壓器的輻射效應(yīng)影響

孫 靜1,2陸 嫵1鄧 偉2郭 旗1余學(xué)峰1何承發(fā)1

1（中國(guó)科學(xué)院特殊環(huán)境功能材料與器件重點(diǎn)試驗(yàn)室 新疆電子信息材料與器件重點(diǎn)試驗(yàn)室 中國(guó)科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所 烏魯木齊 830011）2（中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）

為研究輻照溫度對(duì)線性穩(wěn)壓器的電離輻射效應(yīng)的影響，選取三個(gè)公司生產(chǎn)的同一型號(hào)線性穩(wěn)壓器7805在不同溫度條件下進(jìn)行60Cog電離輻射效應(yīng)試驗(yàn)。結(jié)果表明：輻照溫度的增加使三款線性穩(wěn)壓器輸出電壓的輻射損傷增大；使國(guó)家半導(dǎo)體公司和安森美半導(dǎo)體公司穩(wěn)壓器的線性調(diào)整率及國(guó)家半導(dǎo)體公司的輸入電流敏感參數(shù)的輻射損傷減小。結(jié)合雙極晶體管的空間輻照效應(yīng)模型，對(duì)雙極線性穩(wěn)壓器不同溫度條件下的輻射損傷效應(yīng)進(jìn)行了分析和討論，表明輻照溫度對(duì)線性穩(wěn)壓器的輻射敏感參數(shù)的影響主要取決于陷阱電荷。

雙極線性穩(wěn)壓器，輻射效應(yīng)，輻照溫度

線性穩(wěn)壓器以其輸出電壓穩(wěn)定、成本低、使用簡(jiǎn)單而被廣泛應(yīng)用于各種空間電子學(xué)系統(tǒng)的直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)中。但在復(fù)雜的空間電離輻射環(huán)境下會(huì)使穩(wěn)壓器參數(shù)蛻變，這就對(duì)應(yīng)用于該集成電路的系統(tǒng)的可靠性和安全性造成嚴(yán)重威脅，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)功能失效。近年來(lái)，隨著探月、探火等航天任務(wù)的發(fā)展，電子學(xué)系統(tǒng)需應(yīng)對(duì)更加惡劣的生存環(huán)境，月球及火星上的溫度變化范圍也明顯要比空間溫度變化大，這為線性穩(wěn)壓器在新的惡劣環(huán)境下的應(yīng)用及評(píng)估帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。因此，研究輻照溫度對(duì)線性穩(wěn)壓器的電離輻射損傷的影響相關(guān)性及機(jī)制是非常必要的。

國(guó)內(nèi)外對(duì)線性穩(wěn)壓器的電離輻射效應(yīng)都給予了足夠的重視[1?7]。然而這些研究大多只關(guān)注電離輻射對(duì)電路的參數(shù)及性能的變化，卻沒(méi)有報(bào)道在特殊應(yīng)用環(huán)境下的綜合因素對(duì)集成電路性能的影響，無(wú)法深入理解穩(wěn)壓器的影響因素。因此，為研究溫度條件對(duì)線性穩(wěn)壓器輻射效應(yīng)的影響機(jī)制，本文通過(guò)在25°C、70 °C和100 °C及變溫條件下對(duì)三款固定輸出線性穩(wěn)壓器進(jìn)行了60Cog輻照試驗(yàn)，分析了線性穩(wěn)壓器敏感參數(shù)變化規(guī)律，利用Si/SiO2界面輻射感生缺陷產(chǎn)生的機(jī)理及相關(guān)知識(shí)，探討了線性穩(wěn)壓器在不同溫度條件下的輻射效應(yīng)響應(yīng)機(jī)制。

1 試驗(yàn)樣品和方法

試驗(yàn)樣品采用安森美半導(dǎo)體(ON Semiconductor, ONS)公司和國(guó)家半導(dǎo)體(National Semiconductor, NSC)公司及某國(guó)產(chǎn)的雙極工藝線性穩(wěn)壓器。輻照試驗(yàn)在中國(guó)科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所的60Cog輻照源上進(jìn)行。采用的劑量率為8.37′10?2Gy(Si)·s?1，輻照總劑量為1000Gy(Si)。輻照采用的偏置條件是in=10V、負(fù)載電阻L=1kW時(shí)的正常工作偏置。輻照溫度分別選取了室溫、70°C、100°C三種溫度。樣品放在定制的恒溫箱可抗輻照、箱內(nèi)溫度實(shí)時(shí)可調(diào)、升降溫度快，箱內(nèi)溫度變化不超過(guò)±2°C。樣品測(cè)試的參數(shù)分別為輸出電壓變化百分比()、零負(fù)載時(shí)的輸入電流(in)、線性調(diào)整率(Line Regulation)，測(cè)試是在Amida3000靜態(tài)參數(shù)測(cè)試儀上完成，試驗(yàn)過(guò)程采用的是移位測(cè)試，參數(shù)測(cè)試均在輻照后20min內(nèi)完成。圖1為線性穩(wěn)壓器7805的工作偏置和測(cè)試電路。

圖1 線性穩(wěn)壓器7805的工作偏置和測(cè)試電路 Fig.1 Linear voltage regulator work bias and test circuit.

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 線性穩(wěn)壓器輻射損傷敏感參數(shù)測(cè)試

線性穩(wěn)壓器的輸出電壓變化百分比、零負(fù)載時(shí)的輸入電流、線性調(diào)整率為輻照最敏感參數(shù)。

輸出電壓變化百分比定義為：

式中：out-post-irrad為輻照至一定總劑量后，器件的輸出電壓；out-pre-irrad為輻照前器件輸出電壓。

線性調(diào)整率是指輸入電壓變化所引起輸出電壓的變化。零負(fù)載時(shí)的輸入電流(in)定義為：輸入電壓in=10V，零負(fù)載時(shí)輸入端的電流。

2.2 線性穩(wěn)壓器7805在不同輻照溫度環(huán)境下電參數(shù)的輻照響應(yīng)

圖2為線性穩(wěn)壓器在不同溫度條件輻照下輸出電壓變化百分比隨總劑量的變化。從圖2中可以明顯看出，線性穩(wěn)壓器在幾種溫度條件輻照下輸出電壓都隨著總劑量的累積不斷減小。輻照溫度條件

下的輻射損傷都要比室溫25°C輻照條件下的輻射損傷大，但70°C和100°C兩種溫度輻照下的損傷差異很小。對(duì)于安森美的線性穩(wěn)壓器，在變溫條件輻照下的輻射損傷比加恒定溫度輻照的損傷大，總劑量為1000 Gy(Si)時(shí)，前者的輻射損傷是后者損傷的2.2倍。

圖3為線性穩(wěn)壓器在不同溫度條件輻照下輸入電流in隨總劑量的變化。從圖3中可以明顯看出，在幾種溫度條件輻照下，三款線性穩(wěn)壓器的輸入電流都隨著輻照劑量的累積不斷減小，其中ONS公司線性穩(wěn)壓器在幾種加溫條件輻照下的損傷非常接近，in表現(xiàn)出無(wú)溫度效應(yīng)。在圖3(b)中，NSC公司穩(wěn)壓器在輻照溫度條件下in的損傷比室溫25°C輻照時(shí)的損傷小，而從圖3(c)中看出，國(guó)產(chǎn)7805的in在輻照溫度條件下的輻射損傷比室溫25°C條件輻照下的損傷大。綜上所述，輻照溫度對(duì)三款線性穩(wěn)壓器的輸入電流敏感參數(shù)的影響完全不同。

圖4 三款線性穩(wěn)壓器在不同溫度條件輻照下線性調(diào)整率隨總劑量的變化 (a) 安森美，(b) 國(guó)家半導(dǎo)體，(c) 國(guó)產(chǎn)7805
Fig.4 Varies of line regulation of three regulators with total dose under different temperature. (a) ONS, (b) NSC, (c) Domestic 7805

3 討論

3.1 電離輻射效應(yīng)的形成

研究發(fā)現(xiàn)[8–14]，電離輻射會(huì)在雙極晶體管基-射結(jié)區(qū)上方SiO2鈍化層中產(chǎn)生大量的電子-空穴對(duì)。電離輻射產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)一部分發(fā)生復(fù)合形成激子。激子因裂斷Si?OH鍵而產(chǎn)生少量電子陷阱。剩余的電子-空穴對(duì)在電場(chǎng)作用下分離，由于電子的遷移率高，大部分電子在電場(chǎng)作用下被很快掃出氧化物。分離后的空穴通過(guò)極化子跳躍沿著電場(chǎng)方向向界面移動(dòng)。移動(dòng)過(guò)程中，一部分空穴()會(huì)被氧化層中的氧空位缺陷或與氫有關(guān)的缺陷俘獲，發(fā)生如下反應(yīng)：

電離輻射除了在氧化層中感生出氧化物陷阱電荷外，還能在Si-SiO2界面形成界面態(tài)。對(duì)界面態(tài)的形成過(guò)程已有很多研究。這些研究都認(rèn)為，輻射感生界面態(tài)的前提是界面附近的一個(gè)Si原子和其它三個(gè)Si原子結(jié)合Pb0中心，或者一個(gè)Si原子和兩個(gè)Si原子一個(gè)O原子結(jié)合形成含一個(gè)未飽和鍵的Pb1中心。在制造工藝中，這兩種結(jié)構(gòu)的未飽和鍵都會(huì)被氫鈍化，而在電離輻射環(huán)境中這些鈍化鍵會(huì)發(fā)生斷裂，原來(lái)被鈍化了的Si懸掛鍵又重新出現(xiàn)。在輻照過(guò)程中，氧化層中的氫和氫離子及輻射感生的空穴經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的遷移到達(dá)Si-SiO2界面，與界面處的鈍化結(jié)構(gòu)發(fā)生如下反應(yīng)[13–14]：

其中：Pb中心正是界面態(tài)的主要存在形式。

輻射感生界面態(tài)的形成機(jī)制和增長(zhǎng)過(guò)程是比較復(fù)雜的，它與輻照期間氧化層中的電場(chǎng)強(qiáng)度、器件的制造工藝、氧化層和SiO2/Si界面引入的氫量以及劑量率、總劑量大小均有關(guān)系。

3.2 輻照溫度對(duì)線性穩(wěn)壓器輻射損傷的影響

氧化物陷阱電荷和界面態(tài)退火溫度的差異是導(dǎo)致不同溫度條件輻照下?lián)p傷差異的主要原因。圖2三款線性穩(wěn)壓器的輸出電壓變化百分比和圖3(c)國(guó)產(chǎn)7805的輸入電流在加溫條件輻照下的損傷比室溫25°C的大。造成此現(xiàn)象的原因可以從兩方面來(lái)解釋：一方面，隨著輻照溫度的升高，氧化層晶格傳遞給載流子的能量增大，更多的氫離子脫離硅原子，增加了運(yùn)動(dòng)到界面附近的氫離子數(shù)量，另外，加溫不僅使更多空穴逃脫初始復(fù)合，還使空穴獲得更大遷移能量，最終導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)到界面附近的空穴數(shù)量增加，更大濃度的界面空穴和氫離子將更有助于發(fā)生如式(4)、(5)的反應(yīng)生成更多界面態(tài)；另一方面，空間電荷模型[14]認(rèn)為，雙極器件在大劑量率輻照下會(huì)在晶體管基-射結(jié)區(qū)上方氧化層產(chǎn)生大量的亞穩(wěn)態(tài)淺氧化物陷阱電荷，這些氧化物陷阱電荷會(huì)形成一個(gè)較強(qiáng)的空間電場(chǎng)，空間電場(chǎng)的存在會(huì)阻礙空穴和氫離子向SiO2/Si界面的遷移。加溫不僅能使更多的電子-空穴對(duì)逃脫初始復(fù)合，還使淺氧化物陷阱電荷發(fā)生大量退火，削弱了空間電場(chǎng)對(duì)空穴和氫離子遷移阻礙?？昭ê蜌潆x子以更大的遷移速度運(yùn)動(dòng)到界面，與界面處的鈍化鍵發(fā)生如式(4)、(5)的反應(yīng)形成更多的界面態(tài)。綜合上述兩方面解釋，加溫能促使氧化物陷阱電荷數(shù)量減少而使界面態(tài)的數(shù)量增加。從圖2和圖3(c)可以看出，輻照溫度促使產(chǎn)生的界面態(tài)數(shù)量比氧化物陷阱電荷的退火數(shù)量大，從而導(dǎo)致氧化物中的凈陷阱電荷增加，最終導(dǎo)致輻射損傷增強(qiáng)。研究表明[15–18]，如果輻照溫度條件下的損傷比室溫輻照下的損傷大，那么該輻射敏感參數(shù)可能具有低劑量率輻射損傷增強(qiáng)效應(yīng)(Enhanced Low Dose Rate Sensitivity, ELDRS)。所以還有必要對(duì)線性穩(wěn)壓器進(jìn)行更低劑量率下的輻照試驗(yàn)。

由圖2(a)，在輻照溫度下安森美穩(wěn)壓器的輸出電壓變化百分比的損傷最大，是與輻射感生的深、淺氧化物陷阱電荷的不同退火溫度特性有關(guān)[17,19]。研究表明，淺氧化物陷阱電荷在室溫下就能夠失去束縛電荷發(fā)生退火，而深氧化物陷阱電荷在溫度高于100°C時(shí)才會(huì)發(fā)生大量退火。輻照溫度的前半階段采用了125°C和100°C的溫度輻照，大量的深、淺氧化物陷阱電荷發(fā)生退火，造成氧化物空間電場(chǎng)減弱，使得更多的空穴和氫離子在很小的空間電場(chǎng)阻礙下快速遷移到達(dá)SiO2/Si界面與界面處的懸掛鍵形成大量的界面態(tài)，而界面態(tài)在175°C高溫下才會(huì)發(fā)生大量退火；輻照溫度的后半階段隨著輻照溫度降低到65°C和50°C，在界面態(tài)繼續(xù)形成的同時(shí)，只有淺氧化物陷阱電荷發(fā)生了退火，大部分深氧化物陷阱電荷被保留下來(lái)，使得在輻照溫度下氧化物中擁有最大的凈氧化物陷阱電荷和界面態(tài)濃度，最終導(dǎo)致?lián)p傷增強(qiáng)。

由圖4，ONS和NSC公司穩(wěn)壓器的線性調(diào)整率和NSC公司穩(wěn)壓器的輸入電流在加溫條件輻照下的損傷比室溫25°C條件輻照下的損傷小，是因?yàn)樵谳椪諟囟葪l件下，輻射感生的氧化物陷阱電荷發(fā)生大量退火，并且退火的氧化物陷阱電荷的數(shù)量大于加溫促使產(chǎn)生的界面態(tài)數(shù)量，最終導(dǎo)致氧化層中的凈陷阱電荷數(shù)量減少而造成輻射損傷減弱。研究表明[15–21]，輻照溫度能使氧化物陷阱電荷占主導(dǎo)地位的輻射損傷減弱。因此對(duì)于ONS和NSC公司穩(wěn)壓器的線性調(diào)整率及NSC公司穩(wěn)壓器的輸入電流的損傷變化主要由輻射感生的氧化物陷阱電荷 決定。

由圖3(a)和圖4(c)，溫度條件對(duì)ONS線性穩(wěn)壓器的輸入電流和國(guó)產(chǎn)7805的線性調(diào)整率的輻射損傷基本沒(méi)有影響。這可能是因?yàn)檩椛涓猩难趸锵葳咫姾珊徒缑鎽B(tài)對(duì)輻射敏感參數(shù)的損傷占等同地位，加溫促使產(chǎn)生的界面態(tài)數(shù)量和退火減少的氧化物陷阱電荷數(shù)量接近，因而表現(xiàn)出無(wú)溫度效應(yīng)。

綜合上述分析，輻照溫度對(duì)線性穩(wěn)壓器的輻射敏感參數(shù)的影響主要取決于哪種陷阱電荷對(duì)敏感參數(shù)的損傷占主導(dǎo)地位。如果輻射敏感參數(shù)損傷主要由界面態(tài)引起，那么輻照溫度可能使該敏感參數(shù)損傷增強(qiáng)；如果輻射敏感參數(shù)損傷主要由氧化物陷阱電荷引起，那么輻照溫度可能使該輻射敏感參數(shù)損傷減弱。

4 結(jié)語(yǔ)

在60Cog源上，用不同溫度條件對(duì)線性穩(wěn)壓器7805進(jìn)行了電離輻照試驗(yàn)。對(duì)輻照試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，可以得到以下結(jié)論：

1) 三款線性穩(wěn)壓器的輸出電壓和輸入電流均隨輻照劑量的累積不斷減??；在室溫25°C輻照下，三款線性穩(wěn)壓器的線性調(diào)整率都隨輻照劑量增大。

2) 輻照溫度能使三款線性穩(wěn)壓器的輸出電壓和國(guó)產(chǎn)7805的輸入電流敏感參數(shù)的輻射損傷增強(qiáng)，使NSC公司穩(wěn)壓器的輸入電流、線性調(diào)整率及ONS公司穩(wěn)壓器的線性調(diào)整率的輻射損傷減小，但加溫條件輻照對(duì)安森美穩(wěn)壓器的輸入電流和國(guó)產(chǎn)7805的線性調(diào)整率的輻射損傷沒(méi)有影響。

3) 分析不同溫度輻照對(duì)穩(wěn)壓器的輻射損傷影響知，輻照溫度對(duì)敏感參數(shù)輻射損傷的影響主要由該參數(shù)占主導(dǎo)地位的陷阱電荷決定。如果界面態(tài)占主導(dǎo)，那么輻照溫度可能使該輻射敏感參數(shù)損傷增強(qiáng)，反之氧化物陷阱電荷占主導(dǎo)，則損傷減弱。

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Effects of radiation temperature on the radiation-sensitive parameters of bipolar linear voltage regulator

SUN Jing1,2LU Wu1DENG Wei2GUO Qi1YU Xuefeng1HE Chengfa1

1(Key Laboratory of Functional Materials and Devices for Special Environments, Xinjiang Key Laboratory of Electronic Information Materials and Devices, Xinjiang Technical Institute of Physics & Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Urumqi 830011, China)2(University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Background: In the complex space environment, the regulator parameter can be changed, which is a serious threat to the reliability and security of an integrated circuit system. Purpose: This study aims at the effect of temperature on the radiation-sensitive parameters of linear regulators exposed to ionizing radiation. Methods: Ion radiation effect tests were carried out at different temperature for the three regulators of the same model produced by ON Semiconductor (ONS), National Semiconductor (NSC) and one Chinese company, respectively. The key electrical parameters of the regulator, such as output voltage, input current and line regulation, varies with total ion radiation dose range from 0 Gy to 1000 Gy under various centigrade temperatures of 25°C, 70°C and 100°C. Results: The damage to the output voltage and the input current of the three regulators under irradiation is enhanced with the increased temperatures. The damage to line regulation of ONS and NSC regulators under irradiation at ‘elevated temperature’ is smaller than that at room temperature. There was no effect of temperature observed on input current of ONS regulator and line regulation of the regulator provided by the Chinese company. Conclusion: The effect of temperature on radiation-sensitive parameters of the linear regulators mainly depends on trap charge.

Bipolar linear voltage regulator, Radiation effect, Irradiation temperature

SUN Jing, female, born in 1981, graduated from Xinjiang Technical Institute of Physics & Chemistry of Chinese Academy of Sciences with a master’s degree in 2007, engaged in the research of semiconductor radiation physics

LU Wu, E-mail: luwu@ms.xjb.ac.cn

TL72

10.11889/j.0253-3219.2016.hjs.39.020203

孫靜，女，1981年出生，2007年于中國(guó)科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所獲碩士學(xué)位，從事半導(dǎo)體輻射物理研究

陸嫵，E-mail: luwu@ms.xjb.ac.cn

2015-08-10，

2015-11-17