PNP输入双极运算放大器ELDRS效应的60Co γ辐照高温退火评估方法

许发月 陆 妩 王义元 席善斌 李 明 王 飞 周 东

1（中国科学院新疆理化技术研究所 乌鲁木齐 830011）

2（新疆电子信息材料与器件重点实验室 乌鲁木齐 830011）

3（中国科学院研究生院 北京 100049）

双极器件低剂量率辐射损伤增强(Enhanced Low Dose Radiation Sensitivity, ELDRS)效应的发现[1]，给空间系统中电子元器件的抗辐射能力实验室评估带来巨大挑战，国内外还没有很有效的低剂量率辐射损伤加速评估方法。

美军标MIL-STD-883G的加速评估法包括[2]：(1)实际低剂量率辐照；(2)加温辐照；(3)高剂量率辐照后加温退火；(4)变剂量率辐照。方法(1)和(2)给出了具体的实验条件，但方法(3)和(4)并未给出明确的实验条件，而方法(1)和(4)还存在耗时过长的缺点。国内外还没有关于方法(3)来评估双极器件 ELRDS效应的加速方法的报道。

本文选用三种型号的 PNP输入双极运算放大器，在正偏和零偏状态下进行不同条件的辐照和退火实验，对高剂量率辐照后加温退火加速评估方法进行了探索，并初步获得了采用此方法评估双极运算放大器的具体实验条件。

1 材料与方法

这三种型号(每一型号批次相同)的PNP输入双极运算放大器为双运算放大器LM833、LM158和四运算放大器LM837。辐照试验在中国科学院新疆理化技术研究所大、小60Co源上进行，大、小钴源都是根据国家计量标准的剂量计进行标定。辐照在室温下进行，样品置于铅铝屏蔽盒中，以避免低能散射的影响。为研究双极输入运算放大器 ELDRS效应和辐照后高温退火加速评估方法，实验样品分为三组：1) 0.5 Gy(Si)/s剂量率辐照+20ºC退火，退火时间与低剂量率辐照时间相同；2) 0.04 Gy(Si)/s剂量率辐照+100ºC退火，退火时间24 h或更长；3)1×10–4Gy(Si)/s (LM833、LM837)和 2×10–4Gy(Si)/s(LM158)。三组辐照累积总剂量都为1 000 Gy(Si)。

正偏置状态下放大器正负电源为±10 V，负输入连接输出形成反馈状态，零偏置所有管脚接地。每次辐照及退火前后都进行参数测试，高温退火样品冷却至室温后测试。双极运算放大器的参数采用Tektronix577曲线示踪仪测试。测量参数包括输入失调电压(VOS)、正负输入偏置电流(±Ib)、共模抑制比(CMRR)、开环增益(AVO)、电源电压抑制比(±PSRR)以及正负电源电流(±ISS)。辐照实验及其参数的测量都在室温下进行，每次参数的测试都在辐照或退火后20 min内完成。

2 实验结果

在双极运算放大器辐照过程中发现，几乎所有的器件参数都发生不同程度的变化，但正负输入偏置电流(±Ib)对电离辐照最为敏感，其变化量以 ΔIbs来表征器件的辐射损伤程度。

比较 0.5 Gy/s剂量率辐照+室温退火与低剂量率辐照结果(图1)，在高、低剂量率辐照下，上述器件的偏置电流均有一定变化。在同种偏置下，LM833和 LM837在低剂量率辐照下偏置电流变化比室温高剂量率辐照器件明显，且甚于高剂量率辐照后作室温退火至低剂量率辐照的相同时间的器件，表现出明显的ELDRS效应。LM158正偏时，高剂量率辐照后偏置电流变化比低剂量率辐照后大；零偏时高、低剂量率辐照后偏置电流的变化相当，即高剂量率辐照损伤大于低剂量率，并未表现出明显的ELDRS效应。

图1 两种偏置状态下，LM833、LM837和LM158的Ib随总剂量和室温退火时间的变化Fig.1 Ib vs total dose and annealing time for two groups of LM833, LM837 and LM158 devices, under different bias,irradiated at 0.5 Gy/s (room-temperature annealing) and 1×10–4 Gy/s, respectively□ Zero bias, 0.5 Gy/s; ● Normal operation, 0.5 Gy/s; ▲ Zero bias, 1×10–4 Gy/s; Ñ Normal operation, 1×10–4 Gy/s

图2为0.04 Gy/s剂量率辐照后高温退火结果与低剂量率辐照结果的比较，对具有低剂量率效应的LM833和 LM837，不管在哪种偏置下，高温退火24 h内，器件均有不同程度的损伤增强，且不同剂量率下的损伤呈一定的倍数关系。正偏时低剂量率辐照损伤为高剂量率辐照后高温退火损伤结果最大值的2–3倍，零偏时为3–5倍。由此可知，高剂量率辐照-高温退火的结果乘以一定的倍数因子，可以保守地模拟其低剂量率的辐照变化。而对于没有低剂量率效应的LM158，在退火24 h内，器件的损伤没有继续增强，反而减弱。所以可以从高温退火过程中损伤变化的方向来评估器件是否具有 ELDRS效应。

图2 LM833(a)、LM837(b)和LM158(c) 0.04 Gy/s剂量率辐照后，经100ºC退火的结果Fig.2 Ib vs total dose and annealing time for two groups of LM833, LM837 and LM158 devices, under different bias,irradiated at 0.04 Gy/s(100ºC annealing) and 1×10–4 Gy/s, respectively.□ Zero bias, 1×10–4 Gy/s; ● Normal operation, 1×10–4 Gy/s; ▲ Zero bias, 0.04 Gy/s; Ñ Normal operation, 0.04 Gy/s

3 讨论

3.1 PNP晶体管的低剂量率辐射损伤增强效应

两种 PNP输入双极运算放大器表现出的低剂量率损伤增强效应，与PNP输入双极运算放大器输入级单元电路(PNP晶体管)的性能变化密切相关。研究发现，PNP晶体管的退化是由于钝化基区表面的复合电流Ibsr增加的缘故，而Ibsr与辐照感生的氧化物电荷和界面态的关系为[3]：其中，Not为氧化物陷阱电荷密度，Nit为界面陷阱电荷密度。在Si-SiO2界面感生的界面态会导致表面复合速度增加，而辐射感生的正氧化物电荷积累N型基区，会导致复合电流减小。

PNP晶体管的低剂量率辐射损伤增强效应可用空间电荷模型解释[4–6]：在高剂量率辐照时，在基区氧化层内会迅速产生大量的正氧化物陷阱电荷(浅陷阱空穴和深陷阱空穴)，这些正陷阱电荷在氧化层内形成一个较强的带正电的空间电场，它会消弱隔离氧化层中的外加弱电场，阻碍辐射感生的正电荷(包括空穴和氢离子)到达 Si-SiO2界面生成界面陷阱，从而只有少数辐照感生的空穴 H+到达 Si-SiO2界面形成界面态。低剂量率辐照下，由于辐射感生正电荷的产生速率远低于高剂量率辐照时的速率，其基区氧化层内产生的正氧化物陷阱电荷较少，形成的空间电场较弱。在弱电场、长时间的辐照条件下，辐射感生的空穴和氢离子有足够的时间输运到Si-SiO2界面，并生成界面缺陷。因此，由式(1)可知，相比于高剂量率辐照，低剂量率辐照基区复合电流变化较大，损伤较大，即具有低剂量率辐射损伤增强效应。

3.2 辐照后高温退火方法对低剂量率的辐照损伤的评估

对具有低剂量率效应的器件，其损伤在高温退火过程中有不同程度的增强，这是因为温度对辐照损伤主要产生了两个方面的影响：一方面由 Boch等[7]求解Onsager方程可知，在低电场下SiO2层中，电子-空穴对的初始复合具有温度效应，即温度越高，空穴的逃逸几率越大，可能在随后的运动中形成更多的缺陷。另一方面，由于氧化层内存在着大量的正氧化物陷阱电荷，其中深氧化物陷阱电荷在高于100ºC时会大量退火[5,6]，而浅陷阱在50ºC即可失去束缚电荷的能力[7]。因此，在 100ºC高温退火时，其氧化层体内的氧化物陷阱电荷会因为温度的升高而大量退火，氧化物陷阱电荷形成的空间电场减弱，致使更多的空穴和H+到达Si-SiO2界面形成界面陷阱电荷，而界面陷阱电荷要在高于 175ºC时才退火[7,8]，试验用的温度对界面陷阱电荷几乎无影响。总之，净正氧化物电荷减少，空间电场减小，界面陷阱电荷增加。由式(1)，高温退火引起的钝化基区表面复合电流变化较大，辐射损伤增强。但由于辐照完成后辐射感生的正电荷和正氧化物陷阱电荷的数量有限，其损伤增强也不会达到低剂量率辐照过程中感生电荷长时间在低空间电场作用下的损伤。低剂量率辐照损伤与高剂量率辐照后高温退火损伤结果间存在倍数关系，则可乘以倍乘因子获知低剂量率时辐射损伤。

3.3 不同偏置对低剂量率辐照损伤与高剂量率辐照后高温退火损伤结果的倍数因子影响

退火后损伤增强的程度和低剂量率损伤的程度成一定倍数关系，且零偏置时更为明显。这主要由不同偏置下辐射感生的氧化物陷阱电荷和界面陷阱电荷差异造成，其主要受边缘电场的影响。根据边缘电场模型[3,9,10]，在PNP双极晶体管的基-射结上方覆盖的隔离氧化层中，边缘电场来源于PN结的内建空间电场的表面效应，方向由N区指向P区，正偏下边缘电场较小，而零偏下边缘电场较大。随着边缘电场增强，到达P区表面的空穴和H+运动的数量就增多，增大了发射极的耗尽程度，而N区表面空穴数量减少，减小了基区氧化物陷阱电荷的累积程度，导致基区表面复合速率的增大，从而引起PNP晶体管基极电流增大。

低剂量率辐照时辐照过程持续时间较长，边缘电场对基区表面复合速率影响较大，且零偏时的边缘电场较大，即零偏时PNP晶体管辐射损伤较大。而在高剂量率辐照高温退火时，由于辐照过程持续时间很短，且辐照完成后退火24 h内界面陷阱电荷基本饱和，时间也很短，所以边缘电场对PNP晶体管辐射损伤影响很小，即在两种偏置时辐射并退火的损伤相当。所以零偏置时退火后损伤的程度和低剂量率辐照损伤的程度的倍数关系更明显。

4 结语

通过实验结果及其分析对 PNP输入的运算放大器可得出如下结论：

(1) 高剂量率辐照高温退火结果乘以一定的倍数因子可以模拟低剂量率的辐照损伤。根据退火时损伤的变化方向可以对其是否具有剂量率效应进行评估，即在高剂量率辐照后，高温退火过程中损伤有明显的增强，则器件具有潜在的低剂量率辐射增强效应；如果在高温退火过程中损伤有明显的退化，则器件没有低剂量率辐射增强效应。原因在于高温造成了大量氧化物陷阱电荷的退火，减弱了空间电场，使更多的空穴和H+可以到达Si-SiO2界面形成界面陷阱电荷。

(2) 由于边缘电场的影响，零偏置时的高剂量率辐照高温退火损伤的程度和低剂量率辐照损伤的程度的倍数关系更明显。

1 Enlow E W, Pease R L, Combs W. Response of advanced bipolar processes to ionizing radiation [J]. IEEE Trans Nucl Sci, 1991, NS-38(6): 1342–1351

2 Ionizing radiation (Total dose) test procedure. MIL_STD_883G.1019.7

3 Perhenkov V S, Maslov V B, Cherepko S V,et al. The effect of emitter junction bias on the low dose-rate radiation response of bipolar devices [J]. IEEE Trans Nucl Sci, 1997, 44(6): 1940–1949

4 Graves R J, Member, Cirba C R,et al. Modeling low-dose-rate effect in irradiated bipolar-base oxides [J].IEEE Trans Nucl Sci, 1998, 45(6): 2352–2360

5 Witczak S C, Member, Lacoe R C,et al. Space charge limited degradation of bipolar oxides at low electric fields[J]. IEEE Trans Nucl Sci, 1998, 45(6): 2339–2352

6 Rashkeev S N, Cirba C R, Fleetwood D M,et al. Physical model for enhanced interface-trap formation at low dose rates [J]. IEEE Trans Nucl Sci,2002, 49(6): 2650–2655

7 Boch J, Saigne F, Dusseau L,et al. Temperature effect on geminate recombination [J]. Appl Phy Lett, 2006, 89:042108

8 Banerjee G, Niu G, Cressler J D,et al. Anomalous dose rate effects in gamma irradiated SiGe heterojunction bipolar transistors. IEEE Trans Nucl Sci, 1999, 46(6):1620–1626

9 Pershenkov V S, Chirokov M S, Bretchko P T,et al.Effect of junction fringing field on radiation-induced leakage current in oxide isolation structures and nonuniform damage near the channel edges in mosfets [J].IEEE Trans Nucl Sci, 1994, 41(6): 1895–1901

10 Pershenkov V S, Bashin A Y, Zerbrev G L,et al. Effect of emitter-base bias during infrared illumination on the radiation response of bipolar transistors [J]. IEEE Trans Nucl Sci, 2002, 49(6): 2998–3001