基于SOI 工艺的二极管瞬时剂量率效应数值模拟*

冒国均，边炜钦，薛海卫，杨光安

（1.中国电子科技集团公司第五十八研究所，江苏无锡 214072；2.东南大学，南京 210001）

1 引言

MOS 器件中存在各种寄生的PN 结构，研究PN结的瞬时剂量率效应是研究MOS 器件瞬时剂量率效应的基础。本文基于0.13 μm SOI 工艺的二极管器件模型，通过数值模拟，研究了二极管的瞬态剂量率效应，得到了不同瞬时剂量率、不同偏置电压下的二极管光电流变化关系，对研究深亚微米SOI 工艺器件的瞬态剂量率效应具有一定的参考意义。

2 瞬态剂量率辐射效应

SOI 器件的瞬时剂量率效应是指暴露于脉冲γ 射线辐射的MOS 器件所表现出的电离辐射损伤，瞬时电离脉冲辐射下，MOS 器件PN 结中产生光生载流子，引起PN 结间的光电流流动。

PN 结内产生的光电流包括瞬态漂移光电流和扩散光电流两部分。漂移光电流主要在PN 耗尽区内产生，扩散光电流主要在耗尽区外产生。瞬态漂移光电流的大小为

其中q 为电子电荷，g0为载流子产生率，γRD为瞬时辐射剂量率，V 为耗尽区体积。

当瞬态电离脉冲辐射在二极管N 区、P 区产生光电流作用的距离x1、x2小于电子空穴的扩散长度或与其相当时，P 区收集的扩散光电流近似为

N 区收集的扩散光电流近似为

其中q 为电子电荷，g0为载流子产生率，γRD为瞬时辐射剂量率，Ln、Lp为电子空穴的扩散长度 ；ξp=x1/Lp、ξn=x2/Ln，Ln=Dnτn、Lp=Dpτp。Dn、Dp为电子空穴扩散系数，τn、τp为少子寿命[5-6]，如图 1 所示。

综上所述，PN 结总的瞬态光电流如式（4）：

造模后动物的血脂水平比正常组明显升高（P＜0.05），其中高密度脂蛋白的升高考虑是机体受到胆固醇、甘油三酯和低密度脂蛋白的刺激后产生的应激性增高，属于保护性；阿托伐他汀和护心康对胆固醇和低密度脂蛋白的升高具有明显的疗效（P＜0.05），WIF的对其的降低作用不明显；三种药物对甘油三酯和高密度脂蛋白的影响相对较小，见表1。

图1 PN 二极管示意图

3 二极管器件结构

本文选取PN+二极管及P+N 二极管两种常用的PN 结构，PN 结二极管结构及输入输出特性曲线通过TCAD 软件的Athena 模块仿真实现，使用Atlas 仿真模块仿真器件结构基本电学特性，调节工艺参数，使仿真结果接近或达到实际数值要求。

本文描述的PN+二极管器件长度为0.25 μm，N+注入宽度为0.08 μm，正向导通压降为0.9 V，反向击穿电压为-6 V。P+N 二极管器件长度为0.2 μm，P+注入宽度为0.12 μm，正向导通压降为0.74 V，反向击穿电压为-6 V。与 0.18 μm 工艺相比，0.13 μm 工艺的P+N 二极管 DC 特性好，其中 Is比 0.18 μm 小了一个数量级、Jsw是 0.18 μm 的 1/3，同尺寸的 0.13 μm SOI工艺二极管电容低，具有更低的电容特性和更好的温度特性，所以在瞬态剂量率辐射下，0.13 μm SOI 工艺的二极管产生的光电流要比0.18 μm 体硅工艺小。

4 二极管瞬态剂量率数值模拟及分析

4.1 PN+型瞬态剂量率仿真

在PN+二极管两端分别施加-2 V、-4 V、-6 V 的偏压，剂量率选取 1×1013rad(Si)/s、5×1013rad(Si)/s、1×1014rad(Si)/s、5×1014rad(Si)/s 和 1×1015rad(Si)/s 5 个点，通过仿真得到反偏电流变化如下：

当二极管正极施加电压Vanode为-2 V 时，辐照前反偏电流为0.14 mA。在剂量率分别为1×1013rad(Si)/s、5×1013rad(Si)/s、1×1014rad(Si)/s、5×1014rad(Si)/s 及 1×1015rad (Si)/s 辐照后，瞬态电流峰值分别变为0.142 mA、0.15 mA、0.158 mA、0.22 mA 和 0.295 mA。不同剂量率下的电流变化见图2（a）。

Vanode为-4 V 时，辐照前反偏电流为0.212 mA。在剂量率分别为 1×1013rad(Si)/s、5×1013rad(Si)/s、1×1014rad(Si)/s、5×1014rad(Si)/s 及 1×1015rad(Si)/s 辐照后，瞬态电流峰值分别变为0.213 mA、0.225 mA、0.24 mA、0.34 mA 和0.47 mA。不同剂量率下的电流变化见图2（b）。

Vanode为-6V 时，辐照前反偏电流为0.6mA。在剂量率分别为 1×1013rad(Si)/s、5×1013rad(Si)/s、1×1014rad(Si)/s、5×1014rad(Si)/s 及 1×1015rad(Si)/s 辐照后，瞬态电流峰值分别变为 0.61 mA、0.68 mA、0.75 mA、1.25 mA 和1.75 mA，不同剂量率下的电流变化见图2（c）。

在不同的剂量率、不同偏置电压下，PN+二极管的电流变化率如表1 所示。

图2 PN+不同剂量率、不同偏压下的电流变化

表1 PN+型二极管电流变化率

4.2 P+N 瞬态剂量率仿真

与PN+型二极管类似，对于P+N 型二极管施加相同的偏压、相同的5 个剂量率点，通过仿真得到反偏电流变化如下。

Vanode为-2 V 时，辐照前反偏电流为0.09 mA。在剂量率分别为 1×1013rad (Si)/s、5×1013rad (Si)/s、1×1014rad(Si)/s、5×1014rad(Si)/s 及 1×1015rad(Si)/s 辐照后，瞬态电流峰值分别变为0.092 mA、0.10 mA、0.11 mA、0.175 mA 和0.26 mA。不同剂量率下的电流变化见图3（a）。Vanode为-4 V 时，辐照前反偏电流为0.15 mA。在剂量率分别为 1×1013rad(Si)/s、5×1013rad(Si)/s、1×1014rad(Si)/s、5×1014rad(Si)/s 及 1×1015rad(Si)/s辐照后，瞬态电流峰值分别变为0.151 mA、0.1625 mA、0.175 mA、0.3125 mA 和0.475 mA。不同剂量率下的电流变化见图 3（b）。Vanode为-6 V 时，辐照前反偏电流为0.54 mA。在剂量率分别为1×1013rad (Si)/s、5×1013rad(Si)/s、1×1014rad(Si)/s、5×1014rad(Si)/s 及 1×1015rad(Si)/s 辐照后，瞬态电流峰值分别变为0.545 mA、0.61 mA、0.7 mA、1.35 mA 和 2.05 mA。不同剂量率下的电流变化见图3（c）。

图3 P+N 不同剂量率、不同偏压下的电流变化

在不同的剂量率和不同的偏置电压下，P+N 型二极管的电流变化率如表2 所示。

表2 P+N 型二极管电流变化率

从上述仿真结果可知，两种类型的二极管光电流都随着剂量率和反偏电压的增加而增大，当剂量率为1×1013rad(Si)/s 时，二极管光电流的变化率不超过3%；当剂量率为5×1013rad (Si)/s 时，PN+型二极管的光电流变化率最大为12%左右，而P+N 型二极管的光电流变化率最大达到16%左右；当剂量率大于等于1×1014rad(Si)/s 时，PN+型二极管的光电流变化率最大为24%左右，而P+N 型二极管的光电流变化率最大达到34%左右；当剂量率为 1×1015rad(Si)/s 时，PN+ 型二极管的光电流变化率最大为197%左右，而P+N 型二极管的光电流变化率最大达到289%左右。

相同类型的二极管，当电压为-2 V 和-4 V 时，两者之间光电流的变化率差距不大，当电压为-6 V 时，光电流变化率较大。对于不同的剂量率来讲，当剂量率小于等于 1×1014rad(Si)/s 时，偏置电压为-6 V 时，最大光电流变化率为辐照前的1/3。当剂量率达到1×1015时，光电流变化率急剧增加，偏置电压为-4 V 时，最大光电流变化率为辐照前的2 倍；偏置电压为-6 V 时，最大光电流变化率将近辐照前的3 倍。

在PN+和P+N 两种不同的二极管之间，在相同的剂量率和电压下，PN+产生的光电流比P+N 产生的光电流小，PN+ 的平均光电流变化率约是P+N 的60%，表明在瞬态辐射下，PN+型二极管产生的光电流较小。

根据上述仿真结果，由二极管瞬态光电流公式可知，漂移电流和扩散电流都与瞬态剂量率成正比，漂移电流的贡献要比扩散电流大。当瞬态剂量率超过5×1014rad(Si)/s 时，载流子的产生率急剧上升，导致漂移电流比辐照前成倍增加；偏置电压对光电流的影响体现在对瞬态光电流的收集能力上，在相同的瞬态剂量率辐射下，偏置电压越大，电子空穴扩散长度缩短，光电流作用的距离增加，导致扩散电流变大。

5 结论

采用TCAD 仿真工具，对0.13 μm SOI 工艺下的PN+和P+N 型二极管进行了瞬态剂量率辐射效应仿真，综合仿真结果可知：二极管两端反向偏置电压越高，反偏光电流的变化率越大；辐射剂量率越大，产生的光电流的变化率也越大；在相同偏置电压、相同辐射剂量率条件下，PN+ 型二极管的光电流变化率比P+N 型二极管的光电流变化率要小，PN+型二极管的抗瞬时剂量率辐射效应要比P+N 型好；当剂量率不大于1×1014rad(Si)/s 阈值时，光电流变化率不大，对二极管的特性几乎无影响。而当剂量率大于1×1014rad(Si)/s时，两种类型的光电流变化率成倍增加。瞬态剂量率产生的光电流远大于偏置电压引起的光电流，是瞬态辐射中产生二极管感生光电流的主要因素。

瞬态剂量率辐射下的二极管光电流数值模拟及变化趋势的分析，为研究0.13 μm SOI 工艺下二极管的瞬态辐射效应提供了参考。