劉 巖，陳 偉，王忠明，王茂成，王 迪，劉臥龍，王百川，楊 業(yè)，姚志斌，郭曉強，王晨輝，白小燕

(強脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國家重點實驗室；西北核技術(shù)研究所： 西安 710024)

隨著空間技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的電子器件應(yīng)用于空間輻射環(huán)境中，空間環(huán)境中高能質(zhì)子造成的位移損傷效應(yīng)將對電子器件的性能造成嚴(yán)重損傷，進而影響航天器的效能。質(zhì)子位移損傷等效分析對評估電子器件抗空間位移損傷性能具有重要意義[1]。質(zhì)子是帶電粒子，能在半導(dǎo)體器件中同時產(chǎn)生電離和位移損傷效應(yīng)。當(dāng)電離和位移損傷效應(yīng)同時作用于電子器件時，由于效應(yīng)之間的耦合作用[2]，將難以區(qū)分這2種效應(yīng)，給等效性分析帶來困難。目前，國內(nèi)外廣泛采用基于非電離能損(nonionizing energy loss，NIEL)的位移損傷等效方法對不同種類粒子產(chǎn)生的位移損傷開展等效性分析[3]，但這種方法主要考慮與初始缺陷相關(guān)的非電離能量沉積，無法考慮退火及最終穩(wěn)態(tài)對輻照損傷產(chǎn)生的影響，也未考慮電離能量沉積的影響。Bielejec等[4]研究了雙極型晶體管中子、輕離子和重離子位移損傷的等效性，結(jié)果表明，輕離子導(dǎo)致的位移損傷會偏離Messenger-Spratt關(guān)系，他們將這種偏差歸因于電離能量沉積產(chǎn)生的影響。

為準(zhǔn)確分析質(zhì)子位移損傷的特征，分析質(zhì)子短期與長期電離損傷對位移損傷的影響機制，本文利用柵控電荷分離方法[5-6]對比分析了橫向PNP晶體管3 MeV質(zhì)子與反應(yīng)堆中子位移損傷的差異性，分析了質(zhì)子輻照后經(jīng)長期室溫退火后的界面陷阱演化特征及其對位移損傷的影響機制。

1 橫向PNP晶體管質(zhì)子與中子輻射效應(yīng)對比實驗

本文采用的橫向PNP晶體管帶有柵控結(jié)構(gòu)，利用柵控電荷分離方法可對輻照后器件的氧化物陷阱電荷、界面態(tài)和表征位移損傷的少數(shù)載流子壽命定量測量。圖1為質(zhì)子輻照前后柵控LPNP晶體管(GCLPNP BJTs)的基極電流IB隨柵壓VG變化關(guān)系。[7]。

峰值電壓位置的變化表征了輻照對氧化物陷阱電荷的影響，相對峰值高度表征了輻照對界面態(tài)的影響，這2個參數(shù)主要是由電離總劑量效應(yīng)引起的；而掃描曲線右側(cè)平臺的抬升則表征了少數(shù)載流子壽命的變化，這主要是由位移損傷引起的。

地面模擬環(huán)境中常采用反應(yīng)堆中子作為位移損傷效應(yīng)模擬源，由于中子不帶電，中子輻照試驗中器件無需開蓋處理。中子輻照效應(yīng)主要為位移損傷效應(yīng)，可有效控制伴生電離輻照效應(yīng)對位移損傷的影響。本文橫向PNP晶體管中子輻照實驗利用西安脈沖反應(yīng)堆的3#輻照裝置開展，實驗中反應(yīng)堆采用100 kW功率運行，1 MeV等效中子注量率為5.8×109cm-2·s-1。根據(jù)雙極型晶體管的位移損傷特征，增益和少數(shù)載流子壽命倒數(shù)的退化均與位移損傷劑量呈線性關(guān)系，可表示為

其中：hFE為晶體管電流增益，hFE=IC/IB；IC為集電極電流；KΦ和Kτ為位移損傷因子；Φn為中子注量；τ(0)，τ(Φn)分別為輻照前后少數(shù)載流子的壽命。通過式(1)可對中子和質(zhì)子輻照引起的位移損傷效應(yīng)進行對比。

在西安200 MeV質(zhì)子應(yīng)用裝置(Xi’an 200 MeV proton application facility, XiPAF)上對LPNP晶體管上開展了質(zhì)子輻照實驗。為避免封裝材料及空氣對入射質(zhì)子能量產(chǎn)生影響，將器件進行開蓋處理，并置于真空腔內(nèi)不加偏置進行輻照，輻照質(zhì)子能量為3 MeV，共輻照2個注量點，分別為1.83×1012cm-2和3.64×1012cm-2。每次輻照完畢后取出樣品進行增益參數(shù)和柵掃描測試，測試在輻照后0.5 h內(nèi)完成。質(zhì)子輻照的頻率為1 Hz，質(zhì)子束脈沖寬度為60 μs，質(zhì)子注量可根據(jù)質(zhì)子束流強度計算得到。計算得到的質(zhì)子數(shù)是整個加速器靶面的總數(shù)量，由于質(zhì)子束流強度在靶面的分布服從高斯分布，需對器件的實際累積質(zhì)子注量進行修正。在輻照過程中2只器件并排布放置于靶面中心。器件輻照板區(qū)域為17.5 mm×6.56 mm，器件敏感區(qū)尺寸為6.5 mm×4.5 mm,器件置于輻照板兩端，如圖2所示。計算得到3 MeV質(zhì)子在器件敏感區(qū)域內(nèi)累積的質(zhì)子注量占束流總注量的8.9%。

為便于對比質(zhì)子輻照損傷與中子輻照位移損傷效應(yīng)，基于中子非電離能損，將3 MeV質(zhì)子輻照注量轉(zhuǎn)換為1 MeV等效中子注量，如表1所列。其中：Ep為質(zhì)子能量；Ibeam為束流強度；Φp為質(zhì)子注量；Φn1為1 MeV 等效中子注量。

表1 3 MeV質(zhì)子輻照試驗輻射環(huán)境參數(shù)Tab.1 Radiation environment parameters of 3 MeV proton irradiation test

2 實驗結(jié)果

2.1 晶體管增益與少數(shù)載流子壽命的對比

圖3為3 MeV質(zhì)子與反應(yīng)堆中子輻照后GCLPNP BJTs增益退化的倒數(shù)隨1 MeV等效中子注量的變化關(guān)系。由圖3可見，質(zhì)子輻照后，GCLPNP BJTs增益退化的倒數(shù)和1 MeV等效中子注量依然呈線性關(guān)系，但損傷因子顯著大于1 MeV等效中子所造成的損傷。1 MeV等效中子所造成的損傷因子約為6.5×10-14cm2，3 MeV質(zhì)子造成的損傷因子約為3.6×10-13cm2，約是1 MeV等效中子造成的損傷因子的5.5倍。僅憑NIEL對比質(zhì)子和中子導(dǎo)致的增益退化存在較大的差異，原因是質(zhì)子輻照損傷除導(dǎo)致位移損傷外，還會造成嚴(yán)重的電離總劑量損傷，2種效應(yīng)同時作用造成GCLPNP BJTs增益退化。由于晶體管增益測試過程中無法區(qū)分電離損傷和位移損傷，因此，選擇器件敏感參數(shù)對不同粒子基于NIEL等效方法的可行性至關(guān)重要。

利用柵掃描測試方法，對不同注量3 MeV質(zhì)子與反應(yīng)堆中子輻照后的器件進行了掃描測試，測試結(jié)果如圖4所示。

由圖4可見，質(zhì)子輻照后，器件的柵掃描峰值顯著發(fā)生負漂，相對峰值高度明顯增大，整體掃描曲線抬升，表明氧化物陷阱電荷密度增大、界面態(tài)增加和少數(shù)載流子壽命降低；反應(yīng)堆中子輻照后，柵掃描曲線主要表現(xiàn)為整體曲線的抬升，表明少數(shù)載流子壽命退化，體現(xiàn)出位移損傷為主的損傷機制。

少數(shù)載流子壽命可表示為[7]

(2)

根據(jù)式(2)可計算得到不同注量質(zhì)子輻照下少數(shù)載流子的壽命，并與1 MeV等效中子造成的少數(shù)載流子壽命退化規(guī)律進行對比。其中：pE為橫向PNP晶體管的流片的發(fā)射極周長，332 μm；hE為發(fā)射極結(jié)深，1.5 μm；Ni為本征載流子濃度，1.5×1010cm-3；xB為基區(qū)寬度，12 μm；Nd為基區(qū)摻雜濃度，1.5×1015cm-3；VBE為柵掃描測試條件下的射基極偏壓，0.4 V；k為玻爾茲曼常數(shù)；T為溫度，300 K；xd為射基結(jié)耗盡層寬度，可表示為[8]

(3)

其中：xN和xP分別為耗盡層在N型和P型材料中所占的寬度；Na為發(fā)射極摻雜濃度，1.0×1019cm-3；εs為半導(dǎo)體介電常數(shù)；Vbi為結(jié)內(nèi)建電場；V為PN結(jié)內(nèi)部實際電壓。通過式(3)計算得到射基結(jié)耗盡層寬度xd為0.842 μm，最終得到晶體管的少數(shù)載流子壽命為

(4)

基于式(4)，可計算得到不同注量質(zhì)子和1 MeV等效中子輻照后晶體管的少數(shù)載流子壽命。3 MeV質(zhì)子與反應(yīng)堆中子輻照后，LPNP晶體管少數(shù)載流子壽命倒數(shù)的退化隨1 MeV中子等效注量的變化關(guān)系，如圖5所示。由圖5可見，與增益倒數(shù)退化規(guī)律的差異相比(見圖3)，基于少數(shù)載流子壽命退化計算得到3 MeV質(zhì)子與反應(yīng)堆中子的位移損傷效應(yīng)規(guī)律更接近，表明利用柵控電荷分離方法測量少數(shù)載流子壽命參數(shù)更適用于位移損傷等效分析。但通過線性擬合發(fā)現(xiàn)，質(zhì)子造成少數(shù)載流子壽命損傷因子大于中子造成少數(shù)載流子壽命損傷因子，表明電離總劑量效應(yīng)加劇了少數(shù)載流子壽命的退化，這與文獻中關(guān)于總劑量效應(yīng)加劇位移損傷的研究結(jié)果一致[9-12]。

2.2 質(zhì)子輻照后GCLPNP BJTs的長期退火特征

為分析質(zhì)子輻照損傷的長期退火特性，對長時間室溫退火后的晶體管參數(shù)退化特性進行了測試。圖6為不同注量3 MeV質(zhì)子輻照和200 d室溫退火后，GCLPNP BJTs的柵掃描參數(shù)測試結(jié)果。由圖6可見，隨著輻照注量的增加，器件的氧化物電荷和界面態(tài)陷阱密度顯著增大，少數(shù)載流子壽命產(chǎn)生明顯退化；200 d退火后的測試結(jié)果則表明氧化物陷阱電荷發(fā)生了顯著減小，界面態(tài)增大，且柵掃描峰值發(fā)生展寬，向兩側(cè)偏移，少數(shù)載流子壽命進一步下降，表明基區(qū)復(fù)合進一步加劇。圖7為不同注量3 MeV質(zhì)子輻照和200 d室溫退火后，GCLPNP BJTs增益參數(shù)的測試結(jié)果。由圖7可見，200 d退火后晶體管增益發(fā)生了一定的恢復(fù)，這與柵掃描的結(jié)果不一致。

對于GCLPNP BJTs，氧化物陷阱電荷將導(dǎo)致基區(qū)表面處于累積狀態(tài)，抑制表面復(fù)合，氧化物陷阱電荷濃度越大，基區(qū)復(fù)合越小，因此，氧化物陷阱電荷濃度Nox的降低不會使基極電流減小，界面態(tài)陷阱電荷的增加和少數(shù)載流子壽命的降低均會導(dǎo)致過?；鶚O電流增大，降低晶體管增益。柵掃描的結(jié)果表明基極電流會變大，可推斷晶體管增益的增大只能是由集電極電流增大引起的。圖8為不同注量質(zhì)子輻照及退火后，基極和集電極的I-V曲線。

由圖8可見，基極電流一直在增大，而集電極電流在輻照后減小，退火后增大，發(fā)生一定程度的恢復(fù)。由于晶體管增益是集電極電流除以基極電流，因此，退火后雖然基極電流還在進一步退化，但是集電極電流的增加導(dǎo)致了晶體管增益的恢復(fù)。集電極電流可表示為[13]

(5)

其中：Ae為發(fā)射極面積；Wb為基區(qū)寬度；Dn為載流子擴散系數(shù)。由式(5)可知，隨著氧化物陷阱電荷的退火，基區(qū)表面累積的氧化物陷阱電荷濃度nb0下降，因此被減弱的VBE得到了一定程度的恢復(fù)；同時，受表面電勢影響而展寬的有效基區(qū)寬度減小。因此，集電極電流的變化與電離總劑量效應(yīng)導(dǎo)致的氧化物陷阱電荷具有相關(guān)性。

3 質(zhì)子輻照后的柵掃描曲線峰值展寬分析

對于GCLPNP BJTs，在不同次序中子、γ輻照和質(zhì)子輻照200 d退火的柵掃描測試結(jié)果中，均觀察到了柵掃描峰值展寬的現(xiàn)象，同時峰兩側(cè)的斜率顯著減小。圖9為3 MeV質(zhì)子輻照后與200 d退火后的柵掃描I-V曲線。

根據(jù)文獻[14]報道，表面電勢變化主要是因界面陷阱作為施主陷阱影響平帶電壓或受主陷阱影響反型電壓，動態(tài)影響柵掃描過程中輻射感生產(chǎn)物而導(dǎo)致的。柵掃描的測量過程中，Si/SiO2表面電勢隨柵電壓的掃描不斷變化，輻射感生的界面陷阱在這個過程中受電壓極性的影響會帶正電或負電，與氧化物陷阱電荷累積導(dǎo)致的電壓變化疊加在一起，最終導(dǎo)致表面勢的變化。外加電場能使界面陷阱能級位置發(fā)生相對變化，因此在不同的表面勢影響下，界面陷阱既可作為復(fù)合中心呈電中性，又可從溝道中俘獲載流子作為施主陷阱或受主陷阱。界面陷阱具體呈現(xiàn)為何種特性與表面處的陷阱濃度、陷阱在禁帶中所處能級的位置及表面電場強度有關(guān)。姚志斌等[14]分析了不同施主能級位置和不同受主能級位置對柵掃描峰斜率的影響，結(jié)果表明施主陷阱使柵掃描曲線向反型側(cè)展寬，受主陷阱使曲線向平帶側(cè)展寬。陷阱能級越遠離禁帶中央，展寬效應(yīng)越明顯。因此，可利用輻照前后柵掃描曲線的峰值變化定性分析輻射感生界面陷阱的能級位置演化特征：

(1)當(dāng)平帶側(cè)與反型側(cè)的半高寬基本相等時，輻射感生的施主陷阱濃度與受主陷阱濃度相近；當(dāng)平帶側(cè)半高寬顯著大于反型側(cè)時，輻射感生的界面陷阱主要為受主陷阱，反之則主要為施主陷阱。

(2)平帶側(cè)和反型側(cè)復(fù)合電流的變化率與陷阱能級位置相關(guān)，較淺的陷阱能級位置導(dǎo)致復(fù)合電流的變化率變小，深能級使復(fù)合電流的變化率變大，峰值更加陡峭。基于上述分析結(jié)論，結(jié)合圖9的實驗結(jié)果可見，質(zhì)子輻照經(jīng)長期退火后，界面陷阱的類型既有施主陷阱又有受主陷阱，與輻照后相比，退火后，界面陷阱濃度顯著增大，陷阱的能級位置均向淺能級演化。

4 質(zhì)子輻照退火的位移損傷加劇機理分析

由質(zhì)子輻照的退火實驗結(jié)果可見，晶體管的基極電流在長期室溫退火條件下發(fā)生了退化加劇現(xiàn)象。由柵掃描曲線的特點分析可見，長期退火后，界面態(tài)密度大大增加，并向平帶側(cè)展寬，氧化物陷阱電荷退火，少數(shù)載流子壽命繼續(xù)降低。雖然界面態(tài)的增大會導(dǎo)致正常工作的晶體管基極表面復(fù)合電流增大，但體損傷導(dǎo)致的體復(fù)合電流同樣產(chǎn)生了顯著退化加劇。根據(jù)柵掃描測試的原理，當(dāng)基區(qū)表面平帶時，表面處載流子濃度相差很大，根據(jù) SRH(Shockley-Read-Hall)復(fù)合理論，界面陷阱作為復(fù)合中心的作用很小。而位移損傷的退火特性已有大量的文獻報道，只有恢復(fù)性退火，并最終達到一個穩(wěn)定的狀態(tài)。因此，在氧化物陷阱電荷密度減小的情況下，可認(rèn)為界面陷阱與體缺陷之間存在著相互耦合，且隨著界面陷阱特征的不斷演化，耦合作用變得更加顯著。

在輻射效應(yīng)機理的研究中，常用SRH復(fù)合理論分析半導(dǎo)體材料中的載流子復(fù)合過程，考慮禁帶中單個缺陷能級對電子或空穴的俘獲與復(fù)合的影響。圖10為經(jīng)典SRH復(fù)合理論與缺陷耦合過程的能帶示意圖。當(dāng)多個缺陷能級存在時，SRH方法將分別計算單個缺陷對載流子復(fù)合的影響并進行疊加，如圖10(a)所示。在輻射效應(yīng)的早期研究中，由于缺乏足夠的實驗數(shù)據(jù)支持，通常不考慮缺陷間的耦合作用[15]。近年來，隨著輻射效應(yīng)研究的不斷深入，已有研究在實驗上觀察到了缺陷間電荷轉(zhuǎn)移過程加劇載流子復(fù)合的現(xiàn)象[16-17]，如圖10(b)所示。它超越了SRH單缺陷能級模型的理論框架。因此，當(dāng)多個缺陷能級同時作用于半導(dǎo)體材料時，需要對SRH復(fù)合理論進行一定的修正，描述缺陷間的耦合過程。

以圖10中的雙缺陷能級為例，當(dāng)2個能發(fā)生耦合作用的缺陷能級E1和E2同時作用于半導(dǎo)體材料時，自由載流子在陷阱、導(dǎo)帶及價帶間的電荷轉(zhuǎn)移需要考慮10種作用過程，如圖11所示。

其中，en1,2,ep1,2,cn1,2,cp1,2分別為缺陷能級E1和E2在單位時間內(nèi)對電子和空穴的發(fā)射和俘獲概率；e12和c12為2個缺陷能級間的載流子發(fā)射率和俘獲率，這是雙缺陷耦合模型與SRH復(fù)合模型的不同之處。基于SRH復(fù)合理論，缺陷能級E1和E2對應(yīng)的復(fù)合率為R1和R2，復(fù)合過程僅限于缺陷和價帶或?qū)еg。當(dāng)不考慮缺陷之間的電荷交換時，基于SRH復(fù)合的總復(fù)合率為R=R1+R2。雙缺陷耦合模型則在SRH復(fù)合模型的基礎(chǔ)上增加了缺陷間的電荷轉(zhuǎn)移過程，在特定的能級位置上，缺陷間的電荷轉(zhuǎn)移將會加劇載流子復(fù)合，造成更嚴(yán)重的損傷。對于缺陷能級間的耦合作用，已有少量文獻對耦合過程開展了理論分析，稱為耦合缺陷能級復(fù)合(coupled defect level，CDL)[18-20]。Racko等[21]對能級位置差異對反偏PN結(jié)復(fù)合電流的影響程度進行了仿真分析，得到不同模型條件下，反偏二極管電流密度和ICDC/ISRH隨缺陷能級差的變化關(guān)系，如圖12所示。

在仿真中，PN結(jié)反偏電壓為2 V，E1能級和E2能級具有相同的缺陷密度和載流子俘獲截面，在禁帶中央位置兩側(cè)對稱地改變E1和E2能級的位置差ΔEt。

圖12中，SRH復(fù)合采用經(jīng)典SRH復(fù)合模型，CDL則考慮2種缺陷間的電荷交換過程，右側(cè)坐標(biāo)為CDL復(fù)合電流與SRH復(fù)合電流的比值，用于表征CDL效應(yīng)的強度。由圖12可見，能級位置差ΔEt對CDL效應(yīng)的影響呈現(xiàn)對稱性，在ΔEt=0.3 eV附近CDL效應(yīng)產(chǎn)生最大值;當(dāng)ΔEt=0或ΔEt大于禁帶寬度一半時,CDL效應(yīng)影響較弱。因此，可預(yù)見當(dāng)接近禁帶中央同時存在一個深能級和一個淺能級時，較合適的ΔEt值將產(chǎn)生顯著的CDL效應(yīng)。

5 結(jié)論

本文分別利用晶體管增益和少數(shù)載流子壽命的退化，對比了3 MeV質(zhì)子輻照與1 MeV等效中子輻照的位移損傷因子。結(jié)果表明，質(zhì)子輻照下晶體管增益參數(shù)不再適用于效應(yīng)等效對比，存在較大差異；但少數(shù)載流子壽命退化的對比符合NIEL的計算結(jié)果，與中子位移損傷效應(yīng)的損傷因子相比，質(zhì)子輻照損傷存在一定程度的加劇。分析了質(zhì)子輻照及等溫退火200 d后的晶體管增益參數(shù)和柵掃描變化特征，發(fā)現(xiàn)了基區(qū)復(fù)合加劇退化現(xiàn)象。根據(jù)超越SRH復(fù)合理論的缺陷間耦合效應(yīng)機制對效應(yīng)現(xiàn)象進行了分析，分析結(jié)果表明，界面陷阱淺能級缺陷增加時，界面陷阱與體缺陷間的耦合作用會顯著加劇載流子復(fù)合。

致謝

本文實驗工作在西安脈沖堆和XiPAF進行。實驗過程中，運行操作人員熱情周到的服務(wù)、精準(zhǔn)可靠的輻照控制對實驗的順利實施幫助良多，在此深表感謝！