硅单结晶体管γ射线辐照电阻变化规律研究

赵鸿飞，杜 磊，何 亮，包军林

(1.西安电子科技大学大学 技术物理学院，陕西 西安 710071;2.西安电子科技大学大学 微电子学院，陕西 西安 710071)

近年来，国内外对单结晶体管这一易损器件的γ射线辐照特性研究较少。早期研究文献[1，2]认为硅单结晶体管γ射线辐照的主要损伤机制是电离效应，经400 klx(Si)γ射线辐照后其基区电阻阻值下降。这显然与硅材料自身的γ射线辐照结论相矛盾。大量国内外实验结果[3-6]表明，硅材料在γ射线辐照后阻值上升，损伤机制为多子去除的位移效应。由此可见，在两个剂量点的测量实验中，剂量点选取的偶然性很可能会忽略研究对象变化过程，导致理论上的错误和理论间的矛盾。因此，改进测量方法，研究硅单结晶体管γ射线辐照过程中基区电阻的真实变化规律，是解决这一矛盾的重要方法。

为了解决上述矛盾实现器件加固，本文设计了两次硅单结晶体管γ射线辐照实验，发现了其体电阻值先下降后上升的新现象，并通过对其辐照微观机理进行深入讨论，得到两种损伤机制并存，影响较大的位移效应较电离效应具有一定滞后性的结论。

1 实验过程

实验采用国营昆山晶体管厂生产的BT32F(BT33C/BT33F)型硅单结晶体管。基本结构是n型低掺杂基区两端引出基极B1，B2;基区中部单侧小区域p型掺杂引出发射极E。其中，BT33F型为金封，其他两种型号为塑封。

器件辐照采用西北核技术研究所1.22 MeV的Co60γ射线辐照源。总剂量一定，剂量率越大，辐照需要的时间越短，减少各层间辐照产生的载流子跃迁数量[7]。为了对器件基区特性进行独立分析，减少层间影响，实验使用大剂量率:50 lx(Si)/s。辐照及测量过程均在常温下进行，器件E端悬空，两B极分别与直流电源(或测试设备)正负极相连。

辐照实验分两次进行:第一次为单结晶体管(3种型号均取样)的剂量累积辐照实验，测量方法使用移位多点测量。辐照过程选择3个辐照偏置电压:0 V，12 V，20 V。辐照剂量点为5个:0 klx，50 klx，120 klx，200 klx以及400 klx。为避免不同辐照剂量点时特定测试电压值下的pn结耗尽层宽度变化影响测量准确性，使用实验室自行研制的238仪测量基区电阻在0～20 V间的I-V曲线，取平均阻值。I-V曲线显示，辐照前后基极间电流—电压均具有良好的线性关系。这说明测试电压变化对阻值测量结果的影响可忽略。因此，二次实验中可用欧姆表直接测量。

第二次辐照实验选取第一次实验结果中规律明显、可以清晰解决理论矛盾的一种型号器件(实验后选择了BT32F)，进行辐照剂量为0～400 klx(Si)的无偏实时监测。将器件放在辐照环境中，两基极接在欧姆表上，直接监测基区阻值变化趋势和幅度，消除了升降钴源时剂量率变化以及退火等一系列的外界影响[7]，如实反映其基区阻值的真实变化过程。

2 实验结果与讨论

图1为第一次实验中3种单结晶体管在不同偏压下基区阻值随辐照总剂量的变化情况。从图1中可见，随辐照剂量的增大，大部分单结晶体管基区阻值都出现了一个极小值，但因器件间的个体差异以及外加电压的不同，出现的剂量点和变化幅度并不相同。这种现象给器件稳定性带来了双重影响:对于下降趋势明显的器件，一部分在辐照早期就产生了致命损伤;而安全度过阻值下降区的另一部分器件，反而较下降趋势弱的器件失效率降低。与此同时，实验中也存在个别器件仅测到基区阻值增大的现象。

图1 3种型号单结晶体管基区阻值在不同偏压下随辐照剂量的变化曲线

图2为第二次辐照实验中BT32F型单结晶体管基区阻值随辐照剂量的变化曲线。图中可以看出，利用实时监测方法得到的实验曲线具有更好的连续性，更直观地反映了变化幅度等信息，证明了单结晶体管基区阻值随辐照剂量的增加先下降后上升。同时，将该器件的转折剂量点缩小到48.35～60 klx区域内。

图3对图2中曲线上升区和下降区分别进行直线拟合。上升区阻值和辐照剂量有良好的线性关系，而下降区的变化率随辐照剂量的增加而减小。下降率绝对值远大于上升率。

通过大量研究[4，8-11，18]表明，硅材料在γ射线辐照下产生电离效应和位移效应。

电离效应有3种类型，与入射的光子能量和靶电子的电荷有直接关系，正如图4所示。从图4可知，对于1.22 MeV的γ射线辐照源，硅材料的电离效应以康普顿效应为主。康普顿效应在硅材料中产生平均数为Eph/Eeh的载流子对，此平均数正比于原始的光子能量。光子能量和剂量率不变，电离缺陷恒定不变，随辐照剂量的增加累积，体现为阻值随着总剂量线性下降。

图4 光子同靶材料相互作用示意图[9]

γ射线在硅体中产生的位移效应则主要依靠其与物质作用后产生的Eeh＞170 keV背散射康普顿电子再与硅材料发生作用[4，10]，在半导体晶格中形成自身的级联损伤。γ射线及电子辐照形成的位移缺陷为均匀的点缺陷[4]，缺陷浓度在很大范围内随辐照注入剂量线性增加[10]。位移损伤缺陷由于同产生的空位及间隙相互作用引起稳定的点缺陷络合物或“中性的”(即间隙的)晶格位置的杂质，使有源的(取代的)晶格位置直接去除，从而使自由载流子去除或减少[4，11]。室温下在n型硅中V-P，V-O，V-V都是稳定的辐射缺陷[12，13]。

位移效应相对电离效应存在一定的滞后性。在大量次级电子产生之前，硅体主要受康普顿效应影响。在低掺杂的基区，载流子数量明显上升，电阻值迅速下降。但是电离效应主导总剂量(时间)很小(短)，在硅材料的辐照测试结果中常常被忽略，认为整个辐照过程均以位移效应为主，阻值增大[4，11，18]。而单结晶体管的早期位移损伤缺陷不仅吸除载流子，也吸除器件制造过程引入的大量原始活性缺陷或者杂质，抑制了位移效应与电离效应的抵消，增大(延长)了下降区总剂量(时间)。但位移效应对原始缺陷的吸除十分集中，在小剂量下影响明显，转折点后基本饱和。同时，位移效应对阻值的影响因子略大于电离效应，二者均随总剂量线性累积，共同作用，使阻值上升率远远小于早期电离效应带来的下降率，使单结晶体管在损坏前基区阻值较辐照前只有很小的增加，甚至减小。在实验结果在文献[2]中均有体现。这就使早期单结晶体管的研究一直认为电离效应是其主要γ射线辐照效应，产生了与硅材料γ射线辐照效应之间的矛盾。在另一侧面体现了适当利用原始缺陷虽然会减少器件寿命，但是可以提高抗位移辐照损伤能力[15，19]。

在硅单结晶体管的辐照过程中，γ射线依靠本身穿透能力与原子核产生弹性碰撞，引起的位移效应[3]，次级电子的电离作用[14]，V-O缺陷[3，16，17]和n掺杂[17]等也在γ射线辐照早期有着各自的影响，但影响较小，主要体现为使下降率偏离了线性。

3 结束语

通过以上两次实验，对比不同测量方法并结合理论分析，得到以下结论:

(1)硅单结晶体管基区阻值随γ射线辐照剂量的增加先下降后上升。恒剂量率时，下降率随辐照剂量的增加而减小，上升率为常数，且下降率绝对值远大于上升率。这主要因为位移效应较电离效应具有延迟性，且位移损伤对阻值的影响因子略大于电离损伤;

(2)器件中存在的吸附现象增大了下降区范围，使部分器件在损坏前基区阻值仍未升至初始值，成为器件与材料辐照效应理论中矛盾的来源;

(3)单结晶体管阻值随辐照剂量变化率及转折剂量值与器件制造工艺、基区初始电阻、电阻率、外加电压、辐照剂量率等多个因素有关。并从另一侧面反映了原始缺陷对在辐照环境下的器件加固具有两面性;

(4)本实验也为实时监测的测量方法较定点测量更优观点提供了一定的佐证。

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