偏置条件对NPN型锗硅异质结双极晶体管电离辐射效应的影响

刘默寒 陆 妩 马武英 王 信 郭 旗 何承发 姜 柯

偏置条件对NPN型锗硅异质结双极晶体管电离辐射效应的影响

刘默寒1,2陆 妩1,2马武英2王 信2郭 旗2何承发2姜 柯2

1（新疆大学 物理科学与技术学院 乌鲁木齐 830046）
2（中国科学院新疆理化技术研究所 乌鲁木齐 830011）

本文研究了不同偏置条件下国产商用NPN型锗硅异质结双极晶体管(Silicon germanium hetero-junction bipolar transistors, SiGe HBTs)在60Co γ辐射环境中电离辐照响应特性和变化规律。实验结果表明，在0.8Gy(Si)·s−1剂量率辐照下，总累积剂量达到1.1×104Gy(Si)时，发射结反向偏置条件下60Co γ射线辐照对SiGe HBTs造成的损伤最大，零偏次之，正偏损伤最小；经过一定时间的退火后，零偏恢复程度最小，而正偏和反偏时的恢复趋势以及程度相同。分析了不同偏置状态下其电离辐照敏感参数随累积总剂量以及退火时间的变化关系，讨论了引起电参数失效的潜在机理。

锗硅异质结双极晶体管，总剂量效应，偏置条件，退火

锗硅异质结双极晶体管(Silicon germanium hetero-junction bipolar transistors, SiGe HBTs)由于具有高频率响应、低噪声、高电流增益、优良的低温特性以及可以与现在极其成熟的Si工艺技术有着良好的兼容性等特点，在近几十年来迅猛发展，被广泛应用于模拟、数字电路以及微波射频通信领域。优良的性能使其在空间应用上有着广阔的前景和巨大的市场潜力[1]。而空间极端环境中应用于卫星、空间站、空间探测器等航天领域的电子设备对电子元器件的抗辐射性能有着很高的要求，因此有必要对SiGe HBTs器件的辐射效应、损伤机理、评估方法以及抗辐射加固技术进行研究。佐治亚理工的Babcock等[2−7]对SiGe HBTs器件的辐射效应进行的大量研究工作表明，SiGe HBTs具有良好的抗总电离辐射损伤以及位移损伤的性能；而国内对SiGe HBTs辐射效应的研究还相对较少[8−10]。

工作于空间环境中的电子器件通常处于一定的偏置状态，出于系统可靠性的考虑，这些电子设备都有部分处于备用状态。晶体管正偏由于具有很好的电流放大能力，故而使用最多。而反偏时因为反向电流增益很小，在电路中使用较少。2003年Zhang等[11]对IBM第一代锗硅器件进行了不同偏置条件的质子辐照实验研究，实验结果表明，EB结反偏和所有管脚接地损伤最严重，可以看作最劣偏置。而2006年Bellini等[12]对SiGe HBTs进行的X射线辐照试验却显示正偏时辐照损伤稍大于零偏。清华大学的孙亚宾等[8]对自主研制的SiGe HBTs进行的低剂量率辐照试验研究表明，正偏时的损伤比浮空时要大。文献[8]、[11−12]表明，SiGe HBTs的电离辐照效应与器件类型、制造工艺以及辐照源粒子种类密切相关，故而导致不同偏置条件下不同器件的辐照效应结果也不尽相同。因此，有必要对国内成熟的0.13 μm工艺制作的商用SiGe HBTs器件在不同偏置条件下进行辐照试验，以确定其抗辐射性能和最劣偏置，评估其在空间应用的前景。本文利用60Co γ射线对国产0.13 μm工艺的商用SiGe HBTs器件进行了不同偏置条件下的对比辐照及退火实验，研究了其辐照前后基极电流，共发射极电流增益等电学特性参数随总累积剂量及退火时间的变化规律，并对不同偏置条件下辐照效应不同的潜在机理进行了讨论。

1 实验样品和方法

实验样品选用了一款国产0.13 μm工艺制作的商用NPN型SiGe HBTs，该器件具有低噪声、高增益、高击穿电压以及良好的线性等优点，可应用于微波射频及无线通讯等低噪声高增益领域。

辐照实验是在中国科学院新疆理化技术研究所的水贮式60Co γ射线辐照源上进行的，辐照剂量率选用实验室高剂量率0.8 Gy(Si)·s−1。辐照过程中，器件分别采用了基极-发射极正偏、基极-发射极反偏和基极-发射极零偏三种偏置状态。实验采取移位测试的方法，当辐射累积总剂量分别达到5×102Gy(Si)、2×103Gy(Si)、5×103Gy(Si)、1.1×104Gy(Si)时，将器件从辐照室中移出，利用美国Keithley公司4200-SCS半导体参数分析仪在室温下对辐照晶体管的参数进行测量，测试参数包括：基极电流(IB)、集电极电流(IC)和直流电流增益(β=IC/IB)。完成所有辐照试验以及参数测试后，将器件保持与辐照时相同的偏置条件置于室温下对其进行退火并测试器件各电参数的变化。

图1 零偏(a)、正偏(b)和反偏(c)时Gummel特性曲线随累积剂量的变化Fig.1 Gummel characteristics as a function of total ionizing dose under zero bias (a), forward bias (b) and reverse bias (c).

2 实验结果

图1分别给出了不同偏置条件下SiGe HBTs的Gummel特性随累积总电离剂量的变化曲线。由图1，不同偏置状态下，随着基射结电压的增大，IB逐渐增大，到VBE=0.8 V时达到饱和；随着总电离剂量的增加，IB不断增大而IC基本保持不变，且IB的变化随着基射结电压VBE的增大，先增大而后不断减小，直到达到饱和，最终导致β如图2所示。随着辐照总累积剂量的增加β不断减小，同时也表明IB为SiGe HBTs的电离辐射敏感参数，而集电极电流不受或基本不受电离辐射效应的影响。

由图1和图2实验结果可知，SiGe HBTs经过辐照后IB和β变化比较明显，随着总剂量的增加，二者分别不断增加和降低，而IC基本保持不变。为对不同条件下SiGe HBTs的辐照响应特性进行比较，分别引入了两个参数：过剩基极电流ΔIB(ΔIB=IB-post−IB-pre)和归一化电流增益βpost/βpre。其中IB-post和IB-pre以及βpost和βpre分别选取了辐照前后VBE=0.6 V时所对应的IB和β。

由图3基射结零偏、正偏和反偏时ΔIB随累积总剂量以及退火时间的变化曲线可以看出，在辐照剂量累积到2×103Gy(Si)时，三种偏置下的过剩基极电流差异还比较小，但随着累积剂量的不断增加，不同偏置条件下的ΔIB之间的差异逐渐增大。可以明显看出，在总剂量辐照到1.1×104Gy(Si)时，反偏条件下的基极电流退化最为严重，零偏次之，而正偏最小，且随剂量的不断增加三种偏置下其差异趋于饱和。在随后的不同偏置退火中，三种偏置都有恢复初值的趋势。零偏下，损伤恢复最小，在短时间内即基本达到饱和，而反偏和正偏条件下的损伤恢复趋势大致相同，损伤恢复程度也较零偏时要大。

图2 零偏(a)、正偏(b)和反偏(c)时直流电流增益随累积剂量的变化Fig.2 Direct current gain as a function of total ionizing dose under zero bias (a), forward bias (b) and reverse bias (c).

图3 零偏、正偏和反偏时过剩基极电流随累积总剂量以及退火时间的变化Fig.3 Excess base current as a function of total ionizing dose under different bias and annealing time.

图4 给出了VBE=0.6 V时，不同偏置条件下归一化电流增益βpost/βpre随总累积剂量以及退火时间的变化曲线。从图4可以看出，随着辐照剂量的逐渐增加，电流增益不断减小。基射结反偏时，电流增益的退化程度最大，零偏次之，而正偏时最小。总剂量达到1.1×104Gy(Si)时三种偏置下损伤程度只有轻微的不同，且辐照总剂量达到0.8×104Gy(Si)时，其辐照损伤出现饱和趋势。而随着退火时间的增加，三种偏置下其损伤都有一定程度的恢复。零偏时，损伤恢复程度最小。正偏和反偏时恢复程度和过剩基极电流一样，基本保持一致的变化趋势，但其恢复程度有限。

图4 零偏、正偏和反偏时归一化电流增益随累积总剂量以及退火时间的变化Fig.4 Normalized current gain as a function of total ionizing dose under different bias and annealing time.

由上述实验结果可以看出，SiGe HBTs器件电流增益随总剂量的增加逐渐退化，主要是由于IB随辐照累积剂量而增大造成的。而研究表明辐照后IB的增大主要是由于辐照后基区表面复合电流的增大引起的。基区表面复合电流与氧化物陷阱电荷和界面陷阱电荷的关系可由下述公式表述：

式中，Ibsr为基区表面复合电流；Nit和Not分别为辐照感生的界面陷阱电荷和氧化物陷阱电荷；α=1/2qεε0Na，是与电子的电荷q、绝对介电常数ε0、相对介电常数ε以及衬底掺杂Na有关的量。因此，辐照后产生的净正氧化物陷阱和界面缺陷越多，其IB也就越大，β的退化也就越严重。

高剂量率辐照下，电离辐射在SiGe HBTs发射结边缘隔离氧化物中产生的大量电子空穴，除了在极短时间内大部分复合外，逃脱初始复合的电子和空穴在边缘电场作用下向相反方向移动。室温下，由于电子的迁移率远大于空穴，因此电子很快漂移出氧化层外；而空穴在缓慢移动过程中一部分被界面附近的陷阱俘获，形成净的正氧化物陷阱电荷；一部分空穴在输运过程中产生的氢离子（质子）输运到SiO2/Si界面，与界面附近由器件制作钝化工艺形成的硅-氢(Si-H)悬挂键结合形成界面陷阱电荷，即界面态[13]，界面陷阱电荷形成的最终过程可以用H+与Si-H悬挂键之间的反应描述如下：

式中，Pb+为反应形成的界面态。形成的界面态作为额外的复合中心增加了表面复合速度，使表面复合电流增大。

研究表明，基射结隔离氧化层中积累的正氧化物陷阱电荷形成的电场会导致P型基区耗尽，使得耗尽层的体积增大，从而引起表面复合增加，导致基极电流的增加[11,14]。此外，由于基区表面正电场的存在，使得P型基区的空穴浓度大幅度减小，从而降低了基区载流子的浓度差。由肖克莱-里德-霍尔复合理论可知，理想条件下，最大复合速率发生在电子空穴浓度相等时，载流子浓度差的减小会使复合速率增大，在基区会产生较大的表面复合电流，同样使得基区表面复合电流增大，最终共同作用导致了辐照后基极电流的大幅度增加。

在图1−4中，不同偏置条件下，ΔIB退化程度的不同导致β的退化，主要是由于不同偏置下二氧化硅氧化层内不同电场对净正氧化物陷阱电荷和界面陷阱电荷的产生有不同影响所致。而不同偏置时氧化层内的电场差异主要来源于内建边缘电场和外加电场的大小和方向不同。由边缘电场模型[15]可知，不同偏置下，二氧化硅隔离氧化层内边缘电场的方向相同而大小不同。图5给出了边缘电场以及外加电场对氧化层内电离辐射损伤的影响示意图。

图5 边缘电场对及外加电场对电离辐射损伤的影响Fig.5 Effects of fringe electric field and applied electric field on ionization radiation damage.

如图5(a)所示，无外加电场时，辐射在氧化层内产生的氧化物陷阱电荷均匀分布，使晶体管N型区表面积累，而P型区表面耗尽。在基射结中形成内建电势，然后在其上方的氧化层内产生如图5(b)所示的边缘电场，其方向由N区指向P区，与内建电势方向一致。由于边缘电场的影响，氧化层内的氧化物陷阱电荷随电场漂移形成非均匀分布，从而导致P型区耗尽层随着表面积累的氧化物陷阱电荷而增大。

如图5(c)所示，基射结反偏时，边缘电场增强，导致氧化层内电场增大，最终导致逃脱初始复合的空穴增加，而空穴输运过程中释放的质子也随之增加，所以与基射结零偏相比，基射结反偏时，有更多的空穴和质子沿着电场输运到Si-SiO2表面，与界面附近的悬挂键反应，形成界面态，或者在输运过程中被深氧化物陷阱俘获，形成正氧化物陷阱电荷，导致了如图3所示的过剩基极电流急剧增加。

基射结正偏时，边缘电场被削弱，导致如图5(d)所示的氧化层电场减弱，从而增加了电子空穴对的初始复合，使得逃脱初始复合的空穴减少，也降低了释放的氢离子的数目，延缓了空穴和质子的输运，使得氧化层内净正氧化物陷阱电荷和界面态减少，损伤降低。在边缘电场的影响下，NPN型SiGe HBT基区表面隔离氧化层内净正氧化物电荷浓度和界面缺陷浓度的由大到小顺序为：反偏、零偏、正偏，与图3所示实验结果吻合较好，外加电场的作用正好与边缘电场的作用相反，而外加电场由于双极器件的氧化层厚度较大对影响作用较小。从而可以由实验结果得出，不同偏置条件下电离辐射对国产SiGe HBTs 的影响，在外加电场与边缘电场的竞争作用中，边缘电场占主导作用。

一般认为氧化物浅陷阱电荷由于激发能较低，室温下即可快速退火，而界面态只有在100 °C以上时才会发生有效退火。因此，由图3和图4过剩基极电流和归一化电流增益随累积剂量和退火时间的变化可知，在辐照后的长时间室温退火中，不同偏置下器件损伤恢复程度不同，是因为正偏和反偏时辐照产生的氧化物浅陷阱电荷占主导地位，在室温时大量退火导致，而零偏时产生的界面态为退化的主要原因，因此导致如图3所示的辐照后正偏和反偏退火中，在电场作用下氧化物陷阱电荷迅速退火，导致损伤大幅度减小，而零偏时室温退火过程中只有轻微恢复，导致了其最终损伤程度略大于正偏和反偏。

3 结语

通过对不同偏置下国产商用SiGe HBT高剂量率辐照和退火效应的研究可知，国产商用SiGe HBTs具有一定的抗总电离辐射剂量的性能，且基极电流和电流增益比集电极电流对辐射更敏感。辐射在SiGe HBTs基射结隔离氧化层中诱导产生的界面态和氧化物陷阱电荷，是引起表面复合电流的增大，使得基极电流增大，从而进一步导致SiGe HBTs器件电流增益退化的主要机制。在不同偏置条件辐射下，基射结反偏损伤最大，零偏次之，正偏最小。这主要是由于偏置不同时，SiGe HBTs器件隔离氧化层内边缘电场大小不同导致氧化物陷阱电荷和界面陷阱电荷数量不同导致的。综合可以得出，基射结反偏可以作为国产SiGe HBTs器件的最劣偏置。辐照后器件保持正偏和反偏在室温下经过相同时间的退火其损伤恢复到相同水平，而零偏时其损伤基本保持不变。这可能是因为不同偏置下边缘电场和外加电场相互竞争，导致正偏和反偏时氧化物陷阱电荷大量积累从而导致基极电流退化，而零偏时更多界面态的积累可能是导致其参数退化的原因。

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CLC TL82, O571.33

Bias effects on total ionizing dose radiation response of NPN silicon-germanium hetero-junction bipolar transistors

LIU Mohan1,2LU Wu1,2MA Wuying2WANG Xin2GUO Qi2HE Chengfa2JIANG Ke2
1(School of Physics Science and Technology, Xinjiang University, Urumqi 830046, China)
2(Xinjiang Technical Institute of Physics & Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Urumqi 830011, China)

Background: Silicon germanium hetero-junction bipolar transistors (SiGe HBTs) technology has been considered to be one of the promising candidate for future space applications due to its exciting built-in tolerance of total ionizing dose (TID) radiation and displacement damage (DD) performance. Purpose: The bias effects on total ionizing dose radiation response of the NPN commercial SiGe HBTs produced domestic were investigated with the60Co γ ray under the different bias of Emitter-Base Junction. And the potential mechanisms of the different responses of the radiation under different bias are analyzed. Methods: The devices were mounted in the irradiation boards with different bias conditions during the irradiation and annealing process, and irradiated to a maximum total ionizing dose level of 11 kGy(Si). The electrical parameters including Gummel characteristics and direct current gain of the devices were measured with Keithley 4200-SCS Semiconductor Parameter Analyzer removed from the irradiation room within 20 min at room temperature before and after each specified value of accumulated dose. Results: The radiation sensitive electric parameters of the SiGe HBTs are base current and current gain. And, the damage of the devices with reverse bias is greater than that of zero bias, the degradation of the forward bias is the smallest. Conclusion: The difference of the radiation response under different bias conditions are due to the different amounts of the oxide and interface trap charge induced by the radiation under diverse electric field.

SIGe HBTs, TID, Bias conditions, Annealing

TL82，O571.33

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.060202

刘默寒，男，1988年出生，2012年毕业于成都理工大学工程技术学院，现为核技术及应用专业硕士研究生，研究方向为辐射物理

陆妩，E-mail: luwu@ms.xjb.ac.cn

2015-02-02，

2015-03-23