氧化厚度和发射极尺寸对PNP晶体管电离损伤的影响研究

发布时间：2020-08-11 12:20

【摘要】：双极晶体管具有优良的特性,并且广泛应用在空间设备电子系统中。不同结构和不同栅氧化层GLPNP型晶体管对电离辐照损伤敏感性不同,因此分别研究不同栅氧化层厚度GLPNP型晶体管和不同结构GLPNP型晶体管的电离损伤效应是具有重要意义的。本文以不同栅氧化层厚度和不同结构的GLPNP型晶体管为研究对象,基于1MeV电子辐照试验,结合氢气浸泡试验,利用4200半导体参数测试仪和深能级瞬态谱测试仪,分别测试关键的电性能参数及辐射缺陷,揭示栅氧化层厚度和结构对GLPNP晶体管电性能退化和缺陷演化的影响规律。研究结果表明,在1MeV电子辐照时,随辐照注量的增加,不同栅氧化层厚度的GLPNP晶体管电流增益降低。当辐照注量相同时,与较厚的栅氧化层GLPNP晶体管相比,较薄的栅氧化层PNP晶体管电流增益退化更加严重,这说明薄栅氧化层的晶体管对1MeV电子辐照损伤更为敏感。在1MeV电子辐照时,随着辐照注量的增加,不同结构的GLPNP晶体管电性能均发生显著退化。当辐照注量相同时,具有最小发射区周长面积比和最大基区面积的结构辐照损伤最大,具有最大发射区周长面积比和最小基区面积的结构辐照损伤最小。经氢气浸泡处理后,随着1MeV电子辐照注量的增加,所有的GLPNP型双极晶体管电性能均发生明显退化。对于薄栅氧化层的双极晶体管,在相同辐照注量时,与未经氢气浸泡情况相比,经氢气浸泡处理的器件电性能退化减弱。对于厚栅氧化层的双极晶体管而言,在相同辐照注量时,与未经氢气浸泡情况相比,经氢气浸泡处理的器件电性能退化增强。经氢气浸泡处理与未经氢气浸泡处理的具有不同结构的GLPNP型双极晶体管的电性能退化规律相似。通过辐照感生缺陷分离计算,可知影响不同条件晶体管电性能退化的主要因素是界面态陷阱浓度的增加。通过深能级瞬态谱测试分析,与厚栅氧化层晶体管相比,薄栅氧化层晶体管DLTS信号峰值增加;浸泡氢气后薄栅氧化层晶体管信号峰向高温方向移动,且信号峰值降低,浸泡氢厚栅氧化层晶体管信号峰值明显增加。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN322.8
【图文】：

空间环境,航天器,电离密度,电离效应

图 1-1 空间环境对航天器造成的影响[7]晶体管的辐照损伤效应应是物质在辐射作用下所产生的一切现象，主要指辐射把能成物质性状变化。可以分为电离效应和位移效应[8]。离效应：是电子材料中的中性原子或分子受到辐射而电离生变化的现象。电离效应主要会引起材料的性能产生瞬态半导体的界面产生界面态，器件表面性能发生半永久变化[度能量的粒子在辐照进入到半导体内部后，其能量被一些束束缚电子从价带激发到导带，产生了电子-空穴对。表 1-1（Si 或 Ge）电离密度。表 1-1 硅和锗的每 Gy（Si 或 Ge）电离密度Si Ge度/Gy（物质）4.2×10151.1×1016

辐照,氧化层厚度,电流增益,总剂量

图 1-2 不同氧化层厚度的 NPN 双极晶体归一化电流增益随辐照总剂量及室温时间变化规律[13]从 Si/SiO2界面到 SiO2层 5 nm~10 nm 范围内，有许多的空穴陷阱，Si/SiO2界面运动过程中，空穴容易被这些陷阱俘获形成氧化物陷阱电荷穴运动到 Si/SiO2界面发生反应形成界面陷阱电荷，也称作界面态[16]。张等人[17]研究表明，对于 MOS 结构的栅氧化层厚度与辐照感生的氧化物电度△Not 和界面态陷阱浓度△Nit 有关，在 γ 射线辐照过程中，△Not 和的增加和栅氧化层厚度的 n 次方成正比。n 的取值和电荷、偏置电压和衬种类有关，n 取值在 1~3。可知在较薄的栅氧化层情况下，辐照感生的氧电荷浓度和界面态陷阱浓度比较低。但是栅控双极器件的氧化物电荷浓度面态陷阱浓度与栅氧化层厚度的关系并未有人提出类似关系，通常通过平压法定量提取辐照感生电荷浓度和界面态陷阱浓度。1.4 发射极周长面积比对栅控器件辐照性能的影响发射极周长面积比对晶体管辐照损伤有很大影响，郑玉宽等人[18]研究

示意图,栅控,双极晶体管,横断面

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文第 2 章试验器件及分析测试方法用栅氧化层厚度不同和结构不同的横向 PNP 双深 2.0~2.5 微米，平均浓度约 1×1018/cm3；PNP 管基1×1015/cm3，金属层材料为 AlCu，钝化层材料为 S极晶体管横断面示意图，在集电极和发射极之间加电压，通过控制这个扫描电压可以控制区域表面上具有 MOSFET 功能和 BJT 特性[41]，可以使器件在、耗尽和反型的工作模式。图 2-2 是 PNP 双极晶体使用情况。

【参考文献】