位移辐射深能级缺陷诱导双极晶体管性能退化机理研究

Bipolar junction transistors (BJTs) have important applications in which they may be exposed to radiation environments, and are sensitive to displacement radiation damage. Displacement damage can induce the deep level defects in BJT, and make the degradation of the electrical performance. Numerous studies have studied the deep level defects in silicon material, while little study is performed about the defects in silicon device. There are oxide layer, PN junction and depleted region in BJT. The evolution mechanism of the deep level defects are different in these special regions. In addition, the dynamic evolution of the deep level defects with the electrical field and temperature increased the difficulty of the interactions between defects and electrical performance in BJTs. Nowadays, there is no deep level defects behavior and performance parameter correlation model. Therefore, this project will research the basic characteristics and evolution of the deep level defects, reveal the influence of deep level defects on electrical parameters, and establish a radiation-induced deep level defects behavior and electrical parameters correlation model.

双极晶体管是空间辐射环境中广泛应用的关键电子器件，对位移辐射损伤较为敏感。位移辐射损伤会在晶体管内部产生深能级缺陷，导致性能退化。目前国内外进行的深能级缺陷研究主要针对硅材料，而针对器件内的缺陷行为研究较少。与硅材料相比，双极晶体管具有不同掺杂浓度的特殊器件结构。在不同区域内深能级缺陷对晶体管性能退化的影响机制尚待研究。并且，深能级缺陷的状态可随着电场强度及温度等因素动态演化，这也增加了深能级缺陷诱导双极晶体管性能退化机理的研究难度。迄今，国际上对于深能级缺陷诱导性能退化的作用机制研究尚处于起步阶段，难以建立有效的物理模型。为此，本项目将通过不同类型重离子辐照试验，研究双极晶体管位移辐射电性能退化及深能级缺陷演化规律研究，揭示深能级缺陷诱导电性能退化的微观机制，建立深能级缺陷诱导性能退化物理模型。本项目的研究成果对双极晶体管抗辐照能力优化和在轨性能退化预测都具有重要的工程意义和学术价值。

本文以双极晶体管为研究对象，通过辐照源特点及模拟计算分析，选取电子、质子、Co-60 射线及重离子作为辐照源，研究了双极晶体管电离效应、位移效应及其协合效应的特点和电性能退化规律。基于双极晶体管辐射效应和电性能退化规律表征、深能级瞬态谱分析及退火效应研究3种技术途径，揭示了双极晶体管的电离效应、位移效应及电离/位移协合效应的机制，建立了双极晶体管电离损伤和位移损伤量化模型。.不同种类重离子辐照试验结果表明，在相同位移吸收剂量下，不同种类的重离子对双极晶体管所造成的电性能退化程度和深能级缺陷浓度不同。穿透能力较弱的粒子，易在射程末端产生级联效应，导致深能级缺陷浓度明显提高并加剧晶体管的电性能退化；而穿透力较强的离子，主要在入射路径周围产生空位及间隙原子，所产生的深能级缺陷的浓度较低，电性能退化程度较小。基于入射粒子在晶体管基区产生位移吸收剂量分布的不均匀性和电离效应的影响，提出了优化NIEL方法的新思路，建立了不同种类粒子位移损伤等效性转换关系，与试验结果吻合良好。所得研究结果可为双极器件抗辐射性能优化及在轨电性能退化评价提供理论依据。