双极型器件的总剂量辐射效应与伤机理

Ｒp、Ｒn为电子－空穴复合速率，分别为:
式( 4) 、( 5) 中: σp 为中立陷阱捕获空穴的捕获横截面; σn为电子与被捕获空穴的复合横 截面; NT为中立陷阱数量; PT 为被陷阱捕获空穴数量。若需考虑双极型器件的剂量率效应， 则需对式( 4) 与式( 5) 进行修正，以考虑各种电子－空穴的复合过程。
Sr 为表面复合速度， KT 为热电势，VBE为基－射极电压，Nox为氧化层净电荷 密度，α = 0.5 qniPE，γ 为
式( 10) 中: φs 为表面势，取决于氧化层固定电荷密度; ni为本征载流 子密度; PE为发射极周长; y 为横向位置变量; rB = 1.44 yB。
辐射诱生界面态将影响器件基极－发射极耗尽区的表面复合速度，如 式(11)
1.1 钝化层的辐射效应
钝化层的总剂量辐射效应可 分为4个过程
一 当器件受到总剂量电离辐射
时，钝化层将吸收能量并产 生电子-空穴对，每对辐射诱 生电子-空穴对所需能量为 17±1eV。整个辐射过程中， 部分电子-空穴对在短时间内 复合; 电子在钝化层中迁移率 较高(室温下约为20 cm2 v-1s1 ) ，未复合电子将在ps或更 短时间内漂移出钝化层。空 穴迁移率极低(室温下约为105cm2v-1s-1)，相对电子较稳定。
与式(2) 、(3) 相似，
钝化层内被中立陷阱捕获空穴的一维连续性方程:
联解式( 2) ～ ( 6) ，即可得到钝化层内中立陷阱捕获空穴的数量。
1.3 辐射诱生界面态的计算模型
基于钝化层内空穴、电子、H离子的一维连续性方程，可推导出辐射 诱生界面态密度随总剂量的变化关系。空穴被陷阱捕获后释放出的 氢离子 ( 质子) 的连续性方程为:
器件静态 电流增益Байду номын сангаасβ下降
基于器件辐射损伤机理，业界对不同结构双极型器件的总剂量辐射效
应开展大量试验研究。
研究结果
衬底 PNP( SPNP) 、横 向 PNP( LPNP) 和纵向 PNP( VPNP) 器件的归一 化电流增益随总剂量变化
如图 4 所示。 与辐射前相比，3种器件 电流增益均出现不同程度
1.2 辐射诱生钝化层固定电荷的计算模型
考虑辐射诱生电子－空穴对及钝化层内电子、空穴的电流密度，空穴 和电子的连续性方程分别为
式(2) 、(3) 中: n0为单位剂量内氧化层中辐射诱生电子－空穴对的数量; D 为辐射剂量率; φ 为电子 /空穴复合逃逸率，其与氧化层内电场强度有关; jp、 jn为自由空穴、自由电子的电 流密度;
联解方程( 2) ～ ( 8) ，即可得到辐射诱生钝化层－Si界面处界面态密度 随总剂量的变化关系。
2 器件辐射损伤机理与模型
辐射诱生氧化层固定电荷与界面态都将对双极型器件的电学参数
产生影响。
氧化层固定电荷将改变Si－SiO2界面处的电势，使P型掺杂区域表面 耗尽乃至反型，而N型掺杂区域表面积累。P型表面反型将导致器件 漏电电流增加，击穿电压下降; 而 N 型区域( NPN 晶体管的基极和 PNP 晶体管的发射极)耗尽将使得器件表面复合电流增加，基极电流 上升，导致器件静态电流增益 β 随之下降。氧化层固定电荷与基极电 流变化 ΔIB关系为：
4 结论
本文概述了双极型器件与线性电路的总剂量电离辐射效应与损伤机 理。首先，从钝化层辐射损伤机理出发，概述辐射诱生钝化层固定电 荷与界面态的机理与计算模型，并结合器件模型介绍双极型器件的总 剂量辐射效应; 随后，针对双极型器件低剂量率辐射效应的空间电荷 模型、二级氢模型与延迟反应率模型展开分析与讨论。通过对双极型 器件总剂量辐射效应机理的研究，对于建立器件 ELDRS 效应的加速 试验方法具有指导意义。
3 器件低剂量率辐射损伤机理与模型
双极型器件与线性电路在低剂量率辐照下电学参数的退化将远大于高 剂量率辐照下电学参数的退化，此即为低剂量率辐射损伤增强效应 ( Enhanced low dose rate sensitivity，ELDRS) 。
双极型器件剂量率效应 的试验结果如图8所示
双极型器件ELDRS效应常用的物理解释为空间电荷模型，物理过程
四
辐射诱生空穴的漂移过程中将 产生部分氢离子; 氢离子亦向 SiO2 /Si 界面处跃迁。当H离 子到达SiO2/Si界面时，其将使 部分SiH键断裂，形成H2分子 和三价硅陷阱，反应式： SiH + H+→ Si + H2。 (1) 辐射诱生界面态将影响器件的 表面复合速率，并导致器件直 流增益减小 。
式( 7) 中，等式右边三项分别为自由空穴被陷阱捕获后释放的氢离子数目、 氢离子流密 度及氢离子与硅氢悬挂键反应的数目。NsiH 与Nit分别为硅氢悬挂键及界面态密度， jH 为 氢离子流密度; σit为氢离子与硅氢悬挂键反应的概率( 横截面) 。
辐射诱生界面态的连续性方程为:
式( 8) 中，等式右边两项分别为界面态的生成数量及界面态随时间的退火数量。τit为界面 态的寿命。
的退化，VPNP退化最小， LPNP退化最大。
对于 LPNP 器件，其有效基区位于 发射极和集电极之间，电流沿表面 横向流动，空穴在 LPNP 器件发射 极向集电极的输运过程中，其输运 距离变长，复合概率增加，因而器 件参数退化最为严重。
而在VPNP 器件中，有效基区位于发射区下方，电流呈垂直输运，受 表面效应影响不大; 且器件发射区为重掺杂，因而受发射区耗尽与电 子注入影响很小，故器件电学参数在辐射下退化较不明显。
如图9。
该模型中，受双极型器件氧化
层中低电场作用的影响，辐射
诱生空间电荷在氧化层内会缓
慢输运。在高剂量率辐射环境
下，大量辐射诱生的空间电荷
不能快速地输运至Si-SiO2界面， 因而产生一个局域电场，延缓
了其他空穴和H离子到表界面的
输运过程，减少了辐射诱生界
面态和氧化层固定电荷的数量。
在低剂量率辐照环境下，空间电 荷诱生局域电场不足以减少H离 子和空穴输运抵达界面的数量， 器件中将观测出较大的电学参数 退化量。基于空间电荷模型，受 高剂量率辐射环境下氧化层内局 域电场抑制效应的影响，双极型 器件的 ELDRS 效应可近似表征 为“高剂量率辐照抑制效应”。
二
辐射诱生空穴受外部电场和 内建电场影响将逐渐向 Si/SiO2界面输运，空穴在外 加电场作用下通常为跃迁输 运。空穴在钝化层内浅陷阱 能级间的跃迁为一个随机空 间分布过程，与外加电场、 温度、氧化层厚度等有关， 室温下将在1s内完成整个跃 迁输运过程。
三
在空穴向 Si/SiO2界面输运 过程中，部分空穴可能被 深能态中立陷阱(包括 E， 中心、间隙氧施主中心Oi 和三价硅施主中心) 捕获形 成氧化层固定电荷，氧化 层固定电荷将造成器件表 面反型、增益减少和漏电 流增加。
式(11) 中: vth为热速率; σn和 σp分别为电子与空穴的捕获横截面; Dit为界面态密度。
双极型器件的基极电流IB与表面复合速度Sr有关，如式(12)
式(12) 中: xdB为耗尽区宽度; Veff 为基－射结有效电压。
界面态 密度Dit
表面复合 速度Sr增 加
器件复合基 极电流IB增 加
近年来，Pease、Fleetwood 等基于氢分子模型提出了一种新的ELDRS 效应模型，通过将氧化层内氢分子的作用与辐射诱生界面态相结合，其 认为高剂量率辐照下H离子与界面态生成的抑制效应是由于氧化层内含 氢缺陷反应时相互竞争所引起的。基于该模型，受氢分子作用的影响， 低剂量率下辐射诱生的带氢悬挂键及H离子较多，由此引发了双极型器 件的低剂量率辐射损伤增强效应。 ELDRS 效应的物理表征还有一种延迟反应率模型。在该模型中，低剂 量率辐射损伤增强效应由两类缺陷反应构成，其中一类反应需耗费很长 时间。延迟反应将有更长时间和更多机会进行， 因而比高剂量率辐射 环境诱生了更多的界面态。