典型光电器件60Coγ射线辐照试验研究

刘伟鑫 徐导进 吾勤之

(上海航天技术研究院第八○八研究所 上海 201109)

光电器件的工作速度快、灵敏度高、功耗低，在光纤通信、光电探测、光电对抗等新技术中获得广泛应用[1,2]。然而，空间环境中的带电粒子对卫星用光电器件的空间辐射效应，会引起其参数特性显著退化，甚至是功能失效。光电器件的空间辐射效应研究对于确保其工作可靠性具有重要意义[3,4]。

对典型光电器件空间辐射效应的很多研究成果，已运用于光电器件的抗辐射加固中[4]。本文对GaAlAs异质结红外发光二极管OP224和NPN型Si光电三极管OP604，进行了60Co γ射线辐照试验研究，对其电离辐照损伤现象及损伤机理进行了分析和探讨。

1 试验方法

1.1 试验样品

GaAlAs异质结红外发光二极管OP224和NPN型Si光电三极管OP604，系美国OPTEK公司产品。图1为它们的外形示意图，均为微小型胶囊式封装，两者头部均有一半球形玻璃透镜。OP224的圆柱形外壳为正极，外壳上凸起的“耳朵”为负极；OP604的圆柱形外壳为集电极，“耳朵”为发射极。OP224发出的红外光峰值波长为890 nm，OP604的光谱响应峰值波长也为 890 nm，两者的光谱有较好匹配性。

1.2 辐照试验

辐照试验在中国科学院新疆理化技术研究所60Co γ源上完成。辐照剂量率2016 Gy(Si)/h，辐照偏置条件为：OP224正向偏置电压VF＝1.5 V，OP604的集电极-发射极间施加偏置电压 VCE＝4.5 V；辐照剂量为 200、500、800、1100、1500、2000 Gy(Si)；在相应剂量点用移位测量方式测量试验器件的电参数，每次电参数测量在20 min内完成。

图1 红外发光二极管OP224和光电三极管OP604结构图Fig.1 The structure of infrared emitting diode OP224 and phototransistor OP604.

1.3 电参数测量方法

1.3.1 OP224伏安特性测量

用与计算机GPIB总线接口连接的HP4142半导体器件测试系统给 OP224加正向扫描电压 VF(0–1.6 V，扫描间隔 0.08 V)，在每个扫描点测量OP224的正向电流IF，得到IF-VF特性曲线。

1.3.2 OP224红外光强度测量

用未辐照三极管OP604作基准，接收并测量已辐照 OP224发出的红外光。用特制夹具将 OP224与 OP604固定在暗盒中，确保两者处于同一轴线上，并使它们的透镜正面相对且距离为d(图1)。

如图2，通过HP4142给作为基准的OP604集电极-发射极间施加VCE=5 V电压，给OP224施加正向扫描电流IF(0–70 mA，扫描间隔10 mA)，在每个扫描点测量OP604的集电极电流IC(即为红外光源照射下的光电流IL), 用它表征进行已辐照OP224发出的红外光强度L。

图2 红外光强度及暗电流、光电流测量原理图Fig.2 The schematic diagram of infrared light intensity, dark current and photocurrent measurement.

1.3.3 OP604暗电流测量

如图2，用HP4142给进行辐照的OP604集电极-发射极间施加VCE=5 V电压，在暗盒中测量其集电极电流IC，即为暗电流ID。

图3 不同剂量下红外发光二极管OP224的伏安特性(a)及其正向电流IF与光电三极管OP604光电流IL的关系(b)Fig.3 I-V characteristics of infrared emitting diode OP224 irradiated to different doses (a),and its IF as a function of IL of phototransistor OP604.

1.3.4 OP604光电流测量

用未辐照 OP224发出的强度恒定的红外光作为基准光源，照射已辐照OP604(图1)。如图2，由HP4142给作为基准光源的OP224施加IF＝50 mA电流，使其发出强度恒定的红外光，给已辐照OP604集电极-发射极间施加VCE＝5 V电压，测量其集电极电流IC，即为其固定红外光源照射下的光电流IL。

2 试验结果

2.1 OP224辐照试验结果

由图3(a)，OP224的辐照退化表现为正向电流IF的最大值随辐照累积剂量的增加而下降。辐照前IF的最大值在100 mA左右，当累积剂量达2 kGy(Si)时，IF的最大值降至75 mA左右。

由图 3(b)，随着辐照累积剂量的增加，作为OP604的光电流IL逐渐下降，从辐照前的25 μA降至2 kGy(Si)时的15 μA左右。这说明OP224发出的红外光强度L随辐照累积剂量的增加逐渐衰减。

图4 光电三极管OP604暗电流ID(a)及其光电流IL(b)随辐照累积剂量的变化关系Fig.4 ID (a) and IL (b) of phototransistor OP604 irradiated to different doses.

2.2 OP604辐照试验结果

由图4(a)，OP604的暗电流ID随辐照累积剂量增大，暗电流从辐照前的ID～10 nA增大至2 kGy(Si)时的60 nA左右。

OP224与OP604透镜正面相对，间距d分别为2 mm和 5 mm时，OP604光电流IL(或电流增益β)随辐照累积剂量的变化情况见图4(b)。剂量为 2 kGy(Si)，d=2 mm和d=5 mm时，其辐照前的光电流IL分别为 25 μA 以上和 7 μA，辐照 kGy(Si)后分别下降至15 μA左右和3 μA左右。

3 讨论

上述结果表明，GaAlAs异质结红外发光二极管OP224的电离辐照效应主要表现为：随着辐照累积剂量的增加，正向电流IF的最大值逐渐下降，红外光强度L逐渐衰减。NPN型Si光电三极管OP604的电离辐照效应主要表现为：随着辐照累积剂量增加，暗电流ID逐渐增大、光电流IL逐渐下降(即电流增益逐渐下降)。

根据空间电荷模型[5–8]，在60Co γ射线辐照下，试验器件 PN+结表面的场氧化层中产生了大量电子-空穴对。由于电子迁移率较高(T=300 K时，SiO2层中电子迁移率～2×103m2·V–1·s–1)，在短时间内即被扫出场氧化层；空穴则缓慢地向 Si-SiO2界面输运(T=300 K 时，SiO2层中空穴迁移率～2×10–9m2·V–1·s–1)。输运过程中一部分空穴被场氧化层中的陷阱俘获形成氧化物陷阱电荷积累，而另一部分输运至Si-SiO2界面处的空穴被界面附近的陷阱俘获形成界面态陷阱电荷(图5)。

图5 辐照时PN结及表面SiO2层变化示意图Fig.5 The schematic diagram of PN junction and surface SiO2 layer changing when irradiated.

氧化物陷阱电荷浓度Not与表面势VS的关系可用式(1)描述[9]，随着辐照累积剂量的增大，Not逐渐增大，导致了表面势VS不断增加，引起图6中的表面能带向下弯曲，使低掺杂P区内耗尽层边界向外扩展，即耗尽层宽度DSC以式(2)示关系不断增加[9]，导致了表面耗尽层内的复合电流增大。

式中，NS代表P型Si的掺杂浓度，q代表电子电量，εS、ε0分别为Si和真空介电常数。

Si-SiO2界面处界面态陷阱电荷浓度Nit的增大使界面处的有效复合中心浓度 Nrs不断增加，导致表面复合速率S增大[9]，表面复合电流进一步增大。

图6 表面能带弯曲示意图Fig.6 The schematic diagram of surface energy-band.

式中，rs为空穴俘获系数，n0、p0、ni分别是Si表面热平衡时体内的电子、空穴、本征载流子浓度，Nrs为有效复合中心浓度，k为波尔兹曼常量，T为绝对温度，qΨ =(Ei－q)(VS－EF)，其中 Ei、Eis、EF分别是半导体体内、表面处的本征能级及体内的费米能级。

上述两种因素(电离辐照感生的大量氧化物陷阱电荷和界面态陷阱电荷)导致GaAlAs异质结红外发光二极管 OP224正向电流 IF的最大值和红外光的强度L衰减以及NPN型Si光电三极管OP604的暗电流 ID增大、光电流 IF下降，即出现电流增益下降的结果。

1 刘忠立.先进半导体材料及器件的辐射效应.北京: 国防工业出版社, 2008 LIU Zhongli.Radiation effects in advanced semiconductor materials and devices.Beijing: National Defense Industry Press, 2008

2 陈盘训.半导体器件和集成电路的辐射效应.北京: 国防工业出版社, 2005 CHEN Panxun.Radiation effects in semiconductor devices and integrated-circuit.Beijing: National Defense Industry Press, 2005

3 何 君.半导体情报, 2001, 38(2): 19–23 HE Jun.Inf Semicond, 2001, 38(2): 19–23

4 罗雁横, 张瑞军.电子与封装, 2009, 9(8):43–47 LUO Yanheng, ZHANG Ruijun.Electron Packag, 2009,9(8):43–47

5 Nowlin R N, Enlow E W, Schrimpf R D, et al.IEEE Trans Nucl Sci, 1992, 39(6): 2026–2035

6 Enlow E W, Pease R L, Combs W E, et al.IEEE Trans Nucl Sci, 1991, NS38-(6): 1342–1351

7 Fleetwood D M, Kosier S L, Nowlin R N, et al.IEEE Trans Nucl Sci, 1994,41(6):1871–1883

8 Rashkeev S C, Schrimpf R D, Fleetwood D M, et al.IEEE Trans Nucl Sci, 2002,49(6): 2650–2655

9 顾祖毅, 田立林.半导体物理学.南京: 南京理工大学出版社, 1995 GU Zuyi, TIAN Lilin.Semiconductor physics.Nanjing:Nanjing University of Science and Technology Press,1995