極端溫度下功率SiGe HBTs輻照特性研究

胡開龍 魏印龍 秦國軒

（天津大學(xué)微電子學(xué)院，天津市成像與感知微電子技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072）

0 引言

硅鍺異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（SiGe HBTs）具有體積小，兼容性好，更高的特征頻率和最大振蕩頻率等特性，因而通常被集成在射頻器件中，如：通信系統(tǒng)。此外，它有較寬工作溫度范圍及輻照耐受性等優(yōu)勢，因而在抗輻照領(lǐng)域具有廣闊大的應(yīng)用前景［1-7］。

研究表明，輻照對器件造成的損傷機(jī)制主要包括位移損傷和電離損傷，同時(shí)揭示了輻照對SiGe HBTs 的EB 結(jié)附近以及淺溝道隔離層（STI，shallow trench isolation）影響最大［5，8-13］。除了在射頻通信等領(lǐng)域，功率SiGe HBTs 更多應(yīng)用于功率放大器中［14-18］。因其具有較大發(fā)射極面積，所受輻照損傷也更加嚴(yán)重［19-20］，因而系統(tǒng)性地對不同發(fā)射極面積的功率SiGe HBTs 進(jìn)行研究。此外，SiGe HBTs 能在較寬的環(huán)境溫度下正常工作，對其在不同溫度環(huán)境中的輻照特性研究也是極為必要［5，21-22］。迄今為止，對SiGe HBTs 在不同溫度下質(zhì)子輻照特性和不同發(fā)射極面積的SiGe HBTs 質(zhì)子輻照特性已有初步的研究［23-26］。本文系統(tǒng)性地對不同發(fā)射極面積的功率SiGe HBTs 器件在極端溫度和室溫下進(jìn)行輻照實(shí)驗(yàn)及表征，同時(shí)建模研究質(zhì)子輻照對器件內(nèi)部物理機(jī)制具體的影響。

本工作中對極端溫度下功率SiGe HBTs 的輻照特性進(jìn)行了相關(guān)研究：（1）在3 種不同溫度環(huán)境下進(jìn)行不同發(fā)射極面積的功率SiGe HBTs 質(zhì)子輻照實(shí)驗(yàn)，同時(shí)表征出器件在輻照損傷下的直/交流特性；（2）采用Sentaurus TCAD 軟件上按照實(shí)際SiGe HBTs 器件的參數(shù)建立工藝模型和器件結(jié)構(gòu)模型，基于建立的模型在不同溫度和輻照通量下仿真得到的直流特性和交流特性與實(shí)際器件相符；（3）基于模型表征了不同條件下輻照前后電子密度變化量（Δ edensity）、載流子復(fù)合率變化量（Δ SRH recombination）以及載流子遷移率變化量（Δ emobility）具體分析功率SiGe HBTs 內(nèi)部物理機(jī)制，為空間實(shí)驗(yàn)研究提供了可靠的理論指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)方法與建模

本工作質(zhì)子輻照實(shí)驗(yàn)中，使用Tower Jazz 公司采用0.35 μm SiGe BiCMOS 工藝技術(shù)制造到的功率SiGe HBTs 器件［27］，圖 1 顯示了功率SiGe HBTs 的光學(xué)顯微鏡圖像。

采用Sentaurus TCAD 軟件對功率SiGe HBTs 器件進(jìn)行建模如圖2 所示。建立的模型結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)與輻照實(shí)驗(yàn)的功率SiGe HBTs 保持一致。在建好的模型中引入缺陷和調(diào)整載流子輸運(yùn)模型仿真位移損傷，用等效劑量γ射線仿真電離損傷。實(shí)驗(yàn)和仿真中器件的具體參數(shù)見表1?；诮⒌哪Ｐ停抡婀β蔛iGe HBTs 的直/交流輻照損傷特性。表征出不同條件下輻照前后Δ edensity、Δ SRH recombination 以及Δ emobility，對輻照影響功率SiGe HBTs 的內(nèi)部物理機(jī)制進(jìn)行分析。

表1 實(shí)驗(yàn)和模型器件參數(shù)Tab.1 Experimental and model device parameters

2 結(jié)果與討論

2.1 SiGe HBTs實(shí)驗(yàn)測試和模型仿真性能表征

基于器件模型進(jìn)行仿真，將仿真的轉(zhuǎn)移特性與實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果進(jìn)行了比較（圖3）。在不同溫度下，輻照前后的SiGe HBTs 的仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果擬合較好。圖3（a）可見基極電流（IB）對質(zhì)子輻照較為敏感，而質(zhì)子輻照對集電極電流（IC）影響不明顯。此外，比較圖3（a）（b）可得出，不同溫度對輻照后的SiGe HBTs的特性有不同的影響。

2.1.1 直流性能表征

2.1.1.1 發(fā)射極面積對功率SiGe HBTs 輻照特性的影響

圖4 顯示了不同輻照通量下ΔIB和Δ1/β隨發(fā)射極面積的變化，ΔIB=IB-post-IB-pre（IB-post：輻照后IB，IB-pre：輻照前IB），1/β=IB/IC。可以看出在同一發(fā)射極面積（AE）下，ΔIB和Δ1/β隨著輻照通量的增大而增大，主要原因是質(zhì)子輻照使得SiGe HBTs 在EB 結(jié)附近形成產(chǎn)生/重組（G/R）陷阱中心，從而產(chǎn)生基極漏電流，而基極漏電流與輻照通量成正比。同時(shí)，隨著發(fā)射極面積的增大，質(zhì)子輻照引起更多的IB和β退化（即更高的漏電流），對SiGe HBTs的損傷越大。

2.1.1.2 極端溫度對功率SiGe HBTs 輻照特性的影響

為了研究極端溫度對功率SiGe HBTs 輻照特性的影響，分別固定VBE（在低溫時(shí)，開啟電壓較高VBE=0.7 V；在室溫和高溫時(shí)，VBE=0.5 V）和固定IC條件，將IB進(jìn)行歸一化處理進(jìn)行分析，如圖5所示。兩種條件的結(jié)果均表明，與室溫相比在77 或393K 時(shí)，SiGe HBTs 的IB退化更少。結(jié)果表明，極端溫度能抑制質(zhì)子輻照損傷。

2.1.2 交流性能表征

通過Gmax來表征功率SiGe HBT 的交流性能。實(shí)驗(yàn)測量了不同溫度下發(fā)射極面積為438 μm2SiGe HBTs 輻照前后的Gmax。由圖6（a）（c）看出，輻照后Gmax降低，同時(shí)與橫坐標(biāo)頻率的交點(diǎn)（即最大振蕩頻率fmax）減小，表明器件在輻照后交流特性退化。此外，圖6（d）顯示ΔGmax隨溫度的變化，結(jié)果顯示功率SiGe HBTs 在極端溫度下的|ΔGmax|較小，進(jìn)一步證明極端溫度能抑制輻照損傷。

2.2 輻照下SiGe HBTs內(nèi)部物理機(jī)制分析

2.2.1 發(fā)射極面積對輻照下SiGe HBTs 內(nèi)部物理機(jī)制影響

為更直觀的分析SiGe HBTs 在質(zhì)子輻照后器件內(nèi)部物理機(jī)制的變化，表征不同發(fā)射極面積在輻照前后器件的 Δedensity，如圖7 所示。質(zhì)子輻照主要對SiGe HBTs 在EB 結(jié)附近造成損傷，輻照前后大面積的功率SiGe HBTs 內(nèi)部Δedensity 更大。驗(yàn)證了輻照主要對SiGe HBTs 的電子密度產(chǎn)生影響，同時(shí)表明功率SiGe HBTs的發(fā)射極面積與輻照損傷成正比。

2.2.2 溫度對輻照下SiGe HBTs 內(nèi)部物理機(jī)制影響

基于建立的模型，分別在固定VBE和IC，提取在不同溫度下器件在輻照前后EB 結(jié)附近的電子密度，如圖8 所示。一方面，各溫度條件下電子密度變化Δ edensity 為正，表明質(zhì)子輻照使得SiGe HBTs 的電子密度增加，從而導(dǎo)致使得IB增加。另一方面，對比不同溫度下的Δedensity，室溫下的明顯比在極端溫度下的大，表明室溫下SiGe HBTs 受質(zhì)子輻照損傷更大。在固定VBE和IC條件下均表現(xiàn)出一致的結(jié)論，揭示出質(zhì)子輻照影響器件內(nèi)部電子密度以及極端溫度對輻照損傷具有抑制作用。

此外，表征了不同溫度下輻照前后模型中的載流子復(fù)合率變化量ΔSRH。一般來說，發(fā)射極-基極的消耗區(qū)與基極的SRH 載流子復(fù)合率可用公式1 近似表示，式中R（y）為EB 結(jié)附近的SRH 載流子復(fù)合率，n（y）和p（y）分別為電子和空穴濃度。

輻照后在EB 結(jié)附近產(chǎn)生更多的G/R 陷阱中心，使得在EB 結(jié)附近的載流子濃度增加。同時(shí)質(zhì)子輻照對器件造成的位移損傷和電離損傷使得載流子壽命（τ）減?。?8］。從而導(dǎo)致在質(zhì)子輻照后EB 結(jié)附近SRH 載流子復(fù)合率增加。圖9 顯示SiGe HBTs 在輻照前后SRH 載流子復(fù)合率變化量為正，驗(yàn)證了輻照使得SRH 載流子復(fù)合率增加。此外，極端溫度下SRH 載流子變化量相對于在室溫較小。解釋了極端溫度對質(zhì)子輻照有抑制效果。

對于極端溫度抑制輻照對SiGe HBTs 的損傷原因：一方面在77 K 下，晶格具有較小的熱能，G/R 陷阱中心被凍結(jié)，因此在輻照后產(chǎn)生較少的陷阱［29］，從而輻照誘導(dǎo)產(chǎn)生的基極泄露電流更小。另一方面在393K下，較高的熱能會(huì)產(chǎn)生更多的陷阱態(tài)，因此即使沒有質(zhì)子輻照也會(huì)產(chǎn)生更高的本征基極漏電流。結(jié)果表明，在極端溫度下，質(zhì)子輻照對SiGe HBTs 的損傷較小。

為了研究交流條件下，溫度對質(zhì)子輻照下的功率SiGe HBTs 的內(nèi)部物理機(jī)制的影響，基于該模型同樣表征出不同溫度下器件內(nèi)部的電子遷移率變化量（Δ eMobolity）。溫度升高導(dǎo)致電子密度升高，電子遷移率降低，因此，Gmax變小。由圖10得出結(jié)論：輻照前后SiGe HBTs 內(nèi)部電子遷移率變化量（Δ eMobolity）為負(fù)，表明輻照使得功率器件電子遷移率降低，器件交流特性退化。此外，與室溫相比，|Δ eMobolity| 在極端溫度下更小，揭示Gmax的退化更少。

圖1 功率SiGe HBTs的光學(xué)顯微鏡圖像Fig.1 Optical microscopic image of the SiGe HBTs with multi-fingers

圖2 TCAD模型結(jié)構(gòu)Fig.2 Model structure of TCAD

圖3 不同溫度下輻照前后SiGe HBTs的轉(zhuǎn)移特性Fig.3 Gummel characteristics of pre-and post-radiated SiGe HBTs at different temperatures

圖4 不同輻照通量下Δ IB和1/βpost-1/βpre隨發(fā)射極面積的變化Fig.4 ΔIB and 1/βpost-1/βpre vs.emitter area（AE）with different radiation fluences

圖5 固定VBE和IC，不同輻照通量下ΔIB/IB-pre隨溫度的變化Fig.5 ΔIB/IB-pre vs.temperature with different radiation fluences with fixed VBE（a）and I（Cb）

圖6 不同溫度輻照前后Gmax隨頻率的變化和不同輻照通量下ΔGmax隨溫度的變化Fig.6 Gmax vs.frequency of the pre-and post-radiated SiGe HBTs at different temperatures，ΔGmax vs.temperature at different radiation fluence

圖7 不同發(fā)射極面積下SiGe HBTs EB結(jié)附近電子密度變化量Fig.7 Δedensity near the EB junction of the SiGe HBTs with different emitter areas

圖8 固定VBE和IC，不同溫度下SiGe HBTs EB結(jié)附近輻照前后電子密度變化量Fig.8 Δ edensity near EB junction of the pre-and postradiated SiGe HBTs at different temperature with fixed VBE and IC

圖9 固定VBE和IC，不同溫度下SiGe HBTs EB結(jié)附近輻照前后SRH 載流子復(fù)合率變化量Fig.9 Δ SRH recombination near the EB junction of the pre-and post-radiated SiGe HBTs at different temperature with fixed VBE and IC

圖10 不同溫度下輻照前后SiGe HBTs載流子遷移率變化量Fig.10 Δ eMobolity of the pre-and post-radiated SiGe HBTs at different temperatures

綜上所述，載流子遷移率是影響質(zhì)子輻照SiGe HBTs 交流性能的主要因素；與室溫相比，極端溫度可以相對抑制功率SiGe HBTs質(zhì)子輻照損傷。

3 結(jié)論

研究了質(zhì)子輻照下不同發(fā)射極面積的功率硅鍺異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（SiGe HBTs）在極端溫度和室溫下的直/交流特性，同時(shí)揭示了輻照影響功率SiGe HBTs的內(nèi)部物理機(jī)制。研究結(jié)果表明：

（1）發(fā)射極面積越大，產(chǎn)生更高的泄露電流，質(zhì)子輻照引起更多的IB和β 退化，性能退化越嚴(yán)重，說明SiGe HBTs功率器件比高速SiGe HBTs器件更容易受到輻照的影響；

（2）功率SiGe HBTs 在極端溫度下對質(zhì)子輻照的耐受性優(yōu)于室溫；

（3）通過模型提取影響功率SiGe HBTs 輻照特性的主要因素為載流子密度、Shockley-read-Hall（SRH）載流子復(fù)合率和載流子遷移率，研究了在輻照下器件的內(nèi)部物理機(jī)制。

綜上，SiGe HBTs 具有良好的抗輻照特性，在極端環(huán)境下有很大的應(yīng)用潛力。