第十章辐射效应
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• 空位与杂质结合，使杂质不参与导电， 从而改变杂质浓度。 • 弗仑克尔缺陷：单原子位移 • 缺陷群：中子能量足够大
• 降低少数载流子的寿命：辐照形成的缺陷在禁带内 引入附加能级，增加了复合的几率
1/ ( ) 1/ (0) k – 双极晶体管，硅太阳能电池，单结晶体管和硅可控整流 器
辐射损伤机理
• 位移效应 • 电离效应 • 剂量增强效应：x射线或低能γ射线射入不同原子
序数材料组成的界面时，在界面较低原子序数材料内 将产生剂量增强，与入射的方向无关，导致在相同剂 量下，x射线对器件的损伤比核爆炸γ射线等要严重
• 低剂量率效应：剂量率小于0.0167Gy/s
位移效应
• 中子不带电，穿透能力强，与原子核产 生弹性碰撞，形成晶格中的间隙原子
• 当γ射线射入半导体材料，部分光子能量被材料吸 收和引起电离，激励出电子，且在材料内产生空穴 -电子对，随着辐射强度的增加，空穴-电子对也随 时间按比例变化 • 光电流 i p ( t ) qAXgD( t )
剂量率效应
Fra Baidu bibliotek
A : P N结结面积 X： P N结结宽度 g：产生率 D（ t）： 剂量率函数
第九章辐射效应
辐射环境，辐射效应，辐射的加固
辐射效应的基本情况
• 核辐射的发展简史
– 国外情况 – 国内情况
• 研究对象与方法 • 描述辐射效应的几个物理量
– 中子注量 – 总剂量 – 剂量率
发展简史
• 国外
– 20世纪50年代，研究各种材料在辐射场中性能的 变化 – 1968年美国出版了半导体辐射方面的专著 – 1964年成立辐射效应委员会，并每年一次学术会 议（IEEE出版核科学会刊） – 欧洲是核辐射研究的另一个发展中心 – 20世纪60年代，原电子部14所开始材料和器件的 辐射效应研究 – 1979年成立核电子学与核探测技术学会 – 1980年在成都召开了第一次抗辐射学术会议
– NMOS产生光电流与剂量率不完全成线性关系
CMOS集成电路辐射效应
• 中子注量：不灵敏，抗中子水平可达1015/cm2 • 总剂量:有四种失效模式
– 逻辑电路的开关状态失效 – 由于上升和下落时间的增加，电路达不到要求的速 度 – 漏源电流过大 – 电路的噪声容限变小 – 扰动：N沟/P沟的光电流，对输出电压产生影响 – 闩锁效应
• 辐射效应作用的对象和过程不同，采用的加固 措施也不同
双极晶体管的抗核加固技术
• 减少产生辐射效应的体积 • 降低少数载流子寿命 • 降低饱和压降：采用外延层结构，降低集电区 电阻率 • 表面钝化：三氧化二铝，氮化硅等 • 采用真空封装和加保护涂层 • 使器件在hFE~I关系曲线的峰值附近工作 • 辐射筛选：预辐照，然后退火，消除损伤后使 用
二极管
R Vf ( ) P0 e Vf (0) R Vf ( ) n0 e Vf (0)
双极晶体管
• 中子辐射：降低基区少数载流子寿命，从而降低器 件的电流增益
• 中子辐射在集电区引起载流子的去除效应，增加了 集电区电阻，饱和压降增加，漏电流增加。对于功 率器件和高反压器件尤其明显
异质结双极晶体管（HBT）
• 中子注量使E-B结内的复合增加，HBT的增 益下降
IB (IB0 IS1 )exp(qVBE / mkT) (IS2 ISCR )exp(qVBE / nkT)
• 总剂量辐射后，器件的增益下降，fT和fmax 也下降
fT 1 1 ' [ (C EB C CB ) B E C C ]1 2 g m f T / 8C CB rB
位移效应对半导体参数的 影响
• 载流子去除效应：降低半导体材料的纯杂质浓度
n ( ) n (0) n
– 场效应晶体管，耿氏体效应器件，整流和开关二极管， 稳压二极管等
位移效应对半导体参数的 影响
• 降低载流子的迁移率
1 1 1 A t [1 exp(E T E f ) / kT] ( ) I L Bt
影响软误差率的因素
• 软误差率（%/1000器件小时）与α射线通 量（ α/cm2小时）成直线关系 • 临界电荷与鉴别信息“1”，“0”的电压差成 正比，与软误差率近似成反比关系。
• 集成度和几何尺寸，集成度高，临界电荷 减小，软误差率增加 • 收集效率
Qcrit
ox
d ox
A V
• 剂量率
大规模集成电路的软误差
• 是一种随机的非破坏性的误差，受封装材料α 射线的影响 • α粒子是失去两个电子的氦核，包含两个中子 和两个质子，是原子序数高的核素在放射性衰 变中放射出来的 • 其能量范围4-9MeV，在空气中的射程为29cm，在硅中的约16-65um • 在物质中近似直线形式前进，分散性小 • 几乎所有的封装材料都含有α粒子的放射源
总剂量效应： 1、在界面附近的正电荷改变了SiO2/Si界 面势位，必须在栅上加负电压才能抵消界 面处正电荷层的影响，影响N沟MOS的阈 电压，
2、使SiO2/Si界面SiO2一侧约0.5nm的范 围内部分SiO2的价键断裂，引入界面态
3、如果表面用SiO2钝化，也会产生正电 荷俘获或界面态，这种表面电荷能降低少 数载流子寿命
钨片烧结在陶瓷管壳的外表面，将柯伐合金烧结在管 壳的内表面
• 研究方法
描述辐射效应的几个物理 量
• 中子注量：在给定的时间间隔内进入空 间某点为中心小球体的中子数除以球体 最大截面积的商
• 总剂量：样品在受辐射期间内吸收的累 积剂量 • 剂量率：样品在单位时间内吸收的剂量
辐射环境
• • • • • 核爆炸辐射环境：x射线，中子，γ射线 空间环境：宇宙射线、范艾伦带、极光辐射和太阳耀斑 模拟源环境：中子剂量， γ和X射线总剂量等 核动力辐射环境：核电站、核潜艇等产生的辐射环境 其他辐射环境：正负离子对撞机等在运行时 可产生附带的x射线
f max
MOS场效应晶体管
• 中子注量：N/P沟MOS的电参数变化很小 • 总剂量：在氧化层一侧累积正电荷，使P型 MOS的负阈值电压更负 2
VGS qg 0 t ox D 2 1.92108 t ox D 2
• 剂量率：PMOS产生光电流
Ipd 1.36107 IDSS D
– 当中子辐射在半导体材料内引入缺陷后，这 些缺陷可作为载流子的散射中心，有效地降 低载流子的迁移率。
电离效应
• 对MOS和双极器件或材料的表面性能产 生影响；也可使器件或电路产生光电流， 引起电路扰动，严重时引起器件闩锁或 烧毁 • 引起软错误或硬失效 • 分类
– 总剂量效应 – 剂量率效应 – 单粒子效应
单粒子效应
• 对集成电路，单粒子进入产生发生软误 差，使存储单元的逻辑状态发生变化， 使集成电路产生扰动 • 如果单粒子通过SiO2栅氧化物时，引起 VLSI的MOS管的阈电压漂移，可能使 器件失效，比如14MeV的中子产生的缺 陷大小可与存储单元的尺寸比拟时。
分立器件的辐射效应
• • • • • 二极管 双极晶体管 异质结双极晶体管（HBT） MOS场效应晶体管 太阳能电池
– 采用薄基区：减小W，横向几何尺寸，浅结扩散
MOS器件的抗辐射加固技术
• 合理选择栅介质材料
– Al2O3，Si3N4， Al2O3 /SiO2， Si3N4 /SiO2， 掺Al或Cr的SiO2等 – 干氧氧化的纯净SiO2膜
• 栅氧化工艺的选择：热生长温度，退火温度及 时间等的选择很关键 • 减少栅氧化层厚度 • CMOS电路采用绝缘体衬底材料 • 管壳上涂敷抗辐射涂层：在管壳上涂铅或钽，将 • 采用真空封装
• 国内
研究对象与方法
• 主要是辐射环境中的材料、元器件、集成电路 和电子系统 • 热门课题
– 新型抗辐射器件Si/SiO2界面因辐射产生的俘获电 荷和界面态理论 – 亚微米器件SOS和SOI抗辐射隔离技术 – 空间和靠近地面大气的单粒子环境和效应，高能中 子引起CPU等ULIC的闩锁 – 双极，异质结器件及其IC的辐射效应
I RB I RG 1 1 (1 / h FE ) h FE ( ) h FE (0) IC b K f
IRB：基区体复合电流
IRG：基极-发射极耗尽区的复合电流
Kf：中子辐射复合损伤常数
总剂量对双极器件的影响
• 电离辐射引起的氧化物中缺陷加图
• 漏电流 • 损伤退火 • 剂量率在基极-集电结产生光电流
降低软误差率的措施
• 增大临界电荷 • 改变结构设计
– 在基片表面附近设置电位势垒，推迟和减少 电子或空穴集中到电路节点 – 采用SOI结构 – 降低少数载流子寿命 – 引入载流子收集区和分散区
半导体器件的核加固
• 核加固的基本方法
– 利用全新的抗辐射元器件（包括采用新材料和新结 构 – 对现有器件进行改进 – 中子注量：缩小产生辐射效应的体积，缩短少子寿 命，降低对辐射的敏感程度 – 总剂量效应：改善表面氧化层 – 剂量率：减少产生辐射效应的体积，尽量减少反偏 pn结的大小并降低反偏电压；在电路中采用合理的 设计，加补偿回路和限流保护电阻等
• 降低少数载流子的寿命：辐照形成的缺陷在禁带内 引入附加能级，增加了复合的几率
1/ ( ) 1/ (0) k – 双极晶体管，硅太阳能电池，单结晶体管和硅可控整流 器
辐射损伤机理
• 位移效应 • 电离效应 • 剂量增强效应：x射线或低能γ射线射入不同原子
序数材料组成的界面时，在界面较低原子序数材料内 将产生剂量增强，与入射的方向无关，导致在相同剂 量下，x射线对器件的损伤比核爆炸γ射线等要严重
• 低剂量率效应：剂量率小于0.0167Gy/s
位移效应
• 中子不带电，穿透能力强，与原子核产 生弹性碰撞，形成晶格中的间隙原子
• 当γ射线射入半导体材料，部分光子能量被材料吸 收和引起电离，激励出电子，且在材料内产生空穴 -电子对，随着辐射强度的增加，空穴-电子对也随 时间按比例变化 • 光电流 i p ( t ) qAXgD( t )
剂量率效应
Fra Baidu bibliotek
A : P N结结面积 X： P N结结宽度 g：产生率 D（ t）： 剂量率函数
第九章辐射效应
辐射环境，辐射效应，辐射的加固
辐射效应的基本情况
• 核辐射的发展简史
– 国外情况 – 国内情况
• 研究对象与方法 • 描述辐射效应的几个物理量
– 中子注量 – 总剂量 – 剂量率
发展简史
• 国外
– 20世纪50年代，研究各种材料在辐射场中性能的 变化 – 1968年美国出版了半导体辐射方面的专著 – 1964年成立辐射效应委员会，并每年一次学术会 议（IEEE出版核科学会刊） – 欧洲是核辐射研究的另一个发展中心 – 20世纪60年代，原电子部14所开始材料和器件的 辐射效应研究 – 1979年成立核电子学与核探测技术学会 – 1980年在成都召开了第一次抗辐射学术会议
– NMOS产生光电流与剂量率不完全成线性关系
CMOS集成电路辐射效应
• 中子注量：不灵敏，抗中子水平可达1015/cm2 • 总剂量:有四种失效模式
– 逻辑电路的开关状态失效 – 由于上升和下落时间的增加，电路达不到要求的速 度 – 漏源电流过大 – 电路的噪声容限变小 – 扰动：N沟/P沟的光电流，对输出电压产生影响 – 闩锁效应
• 辐射效应作用的对象和过程不同，采用的加固 措施也不同
双极晶体管的抗核加固技术
• 减少产生辐射效应的体积 • 降低少数载流子寿命 • 降低饱和压降：采用外延层结构，降低集电区 电阻率 • 表面钝化：三氧化二铝，氮化硅等 • 采用真空封装和加保护涂层 • 使器件在hFE~I关系曲线的峰值附近工作 • 辐射筛选：预辐照，然后退火，消除损伤后使 用
二极管
R Vf ( ) P0 e Vf (0) R Vf ( ) n0 e Vf (0)
双极晶体管
• 中子辐射：降低基区少数载流子寿命，从而降低器 件的电流增益
• 中子辐射在集电区引起载流子的去除效应，增加了 集电区电阻，饱和压降增加，漏电流增加。对于功 率器件和高反压器件尤其明显
异质结双极晶体管（HBT）
• 中子注量使E-B结内的复合增加，HBT的增 益下降
IB (IB0 IS1 )exp(qVBE / mkT) (IS2 ISCR )exp(qVBE / nkT)
• 总剂量辐射后，器件的增益下降，fT和fmax 也下降
fT 1 1 ' [ (C EB C CB ) B E C C ]1 2 g m f T / 8C CB rB
位移效应对半导体参数的 影响
• 载流子去除效应：降低半导体材料的纯杂质浓度
n ( ) n (0) n
– 场效应晶体管，耿氏体效应器件，整流和开关二极管， 稳压二极管等
位移效应对半导体参数的 影响
• 降低载流子的迁移率
1 1 1 A t [1 exp(E T E f ) / kT] ( ) I L Bt
影响软误差率的因素
• 软误差率（%/1000器件小时）与α射线通 量（ α/cm2小时）成直线关系 • 临界电荷与鉴别信息“1”，“0”的电压差成 正比，与软误差率近似成反比关系。
• 集成度和几何尺寸，集成度高，临界电荷 减小，软误差率增加 • 收集效率
Qcrit
ox
d ox
A V
• 剂量率
大规模集成电路的软误差
• 是一种随机的非破坏性的误差，受封装材料α 射线的影响 • α粒子是失去两个电子的氦核，包含两个中子 和两个质子，是原子序数高的核素在放射性衰 变中放射出来的 • 其能量范围4-9MeV，在空气中的射程为29cm，在硅中的约16-65um • 在物质中近似直线形式前进，分散性小 • 几乎所有的封装材料都含有α粒子的放射源
总剂量效应： 1、在界面附近的正电荷改变了SiO2/Si界 面势位，必须在栅上加负电压才能抵消界 面处正电荷层的影响，影响N沟MOS的阈 电压，
2、使SiO2/Si界面SiO2一侧约0.5nm的范 围内部分SiO2的价键断裂，引入界面态
3、如果表面用SiO2钝化，也会产生正电 荷俘获或界面态，这种表面电荷能降低少 数载流子寿命
钨片烧结在陶瓷管壳的外表面，将柯伐合金烧结在管 壳的内表面
• 研究方法
描述辐射效应的几个物理 量
• 中子注量：在给定的时间间隔内进入空 间某点为中心小球体的中子数除以球体 最大截面积的商
• 总剂量：样品在受辐射期间内吸收的累 积剂量 • 剂量率：样品在单位时间内吸收的剂量
辐射环境
• • • • • 核爆炸辐射环境：x射线，中子，γ射线 空间环境：宇宙射线、范艾伦带、极光辐射和太阳耀斑 模拟源环境：中子剂量， γ和X射线总剂量等 核动力辐射环境：核电站、核潜艇等产生的辐射环境 其他辐射环境：正负离子对撞机等在运行时 可产生附带的x射线
f max
MOS场效应晶体管
• 中子注量：N/P沟MOS的电参数变化很小 • 总剂量：在氧化层一侧累积正电荷，使P型 MOS的负阈值电压更负 2
VGS qg 0 t ox D 2 1.92108 t ox D 2
• 剂量率：PMOS产生光电流
Ipd 1.36107 IDSS D
– 当中子辐射在半导体材料内引入缺陷后，这 些缺陷可作为载流子的散射中心，有效地降 低载流子的迁移率。
电离效应
• 对MOS和双极器件或材料的表面性能产 生影响；也可使器件或电路产生光电流， 引起电路扰动，严重时引起器件闩锁或 烧毁 • 引起软错误或硬失效 • 分类
– 总剂量效应 – 剂量率效应 – 单粒子效应
单粒子效应
• 对集成电路，单粒子进入产生发生软误 差，使存储单元的逻辑状态发生变化， 使集成电路产生扰动 • 如果单粒子通过SiO2栅氧化物时，引起 VLSI的MOS管的阈电压漂移，可能使 器件失效，比如14MeV的中子产生的缺 陷大小可与存储单元的尺寸比拟时。
分立器件的辐射效应
• • • • • 二极管 双极晶体管 异质结双极晶体管（HBT） MOS场效应晶体管 太阳能电池
– 采用薄基区：减小W，横向几何尺寸，浅结扩散
MOS器件的抗辐射加固技术
• 合理选择栅介质材料
– Al2O3，Si3N4， Al2O3 /SiO2， Si3N4 /SiO2， 掺Al或Cr的SiO2等 – 干氧氧化的纯净SiO2膜
• 栅氧化工艺的选择：热生长温度，退火温度及 时间等的选择很关键 • 减少栅氧化层厚度 • CMOS电路采用绝缘体衬底材料 • 管壳上涂敷抗辐射涂层：在管壳上涂铅或钽，将 • 采用真空封装
• 国内
研究对象与方法
• 主要是辐射环境中的材料、元器件、集成电路 和电子系统 • 热门课题
– 新型抗辐射器件Si/SiO2界面因辐射产生的俘获电 荷和界面态理论 – 亚微米器件SOS和SOI抗辐射隔离技术 – 空间和靠近地面大气的单粒子环境和效应，高能中 子引起CPU等ULIC的闩锁 – 双极，异质结器件及其IC的辐射效应
I RB I RG 1 1 (1 / h FE ) h FE ( ) h FE (0) IC b K f
IRB：基区体复合电流
IRG：基极-发射极耗尽区的复合电流
Kf：中子辐射复合损伤常数
总剂量对双极器件的影响
• 电离辐射引起的氧化物中缺陷加图
• 漏电流 • 损伤退火 • 剂量率在基极-集电结产生光电流
降低软误差率的措施
• 增大临界电荷 • 改变结构设计
– 在基片表面附近设置电位势垒，推迟和减少 电子或空穴集中到电路节点 – 采用SOI结构 – 降低少数载流子寿命 – 引入载流子收集区和分散区
半导体器件的核加固
• 核加固的基本方法
– 利用全新的抗辐射元器件（包括采用新材料和新结 构 – 对现有器件进行改进 – 中子注量：缩小产生辐射效应的体积，缩短少子寿 命，降低对辐射的敏感程度 – 总剂量效应：改善表面氧化层 – 剂量率：减少产生辐射效应的体积，尽量减少反偏 pn结的大小并降低反偏电压；在电路中采用合理的 设计，加补偿回路和限流保护电阻等