极端空间环境下SiGe HBT电离辐射协同效应机制及关键影响因素研究

Silicon-germanium heterojunction bipolar transistor (SiGe HBT) has the capacity for extravehicular applications in extreme space environment on account of its superior temperature characteristics, which can bear extreme temperatures from -180oC to 200oC. In this case, the synergistic effect of the total ionizing dose (TID) radiation and single event effects (SEE) becomes the key scientific issue to the long-life reliable application of SiGe devices. However, since the new characteristics of device materials and structures, the damage mechanism of synergistic effect in SiGe HBT is not clear, and the mechanism of the influence of extreme environment on the synergistic effect has not carried out relevant research. In this project, the mechanism of the synergistic effect of TID on SEE of SiGe HBT in extreme environment will be studied via simulation and experiments methods. The influence mechanism of irradiation-induced trapping charges on the process of SEE is revealed at the microscopic level, and the effect of micro- mechanism of synergistic effect on the degradation of electrical properties was analyzed in the SiGe HBT. In addition, this project investigates the response characteristics of synergistic effect of TID and SEE in extreme temperature, and obtains the interaction rules between extreme temperature and synergistic effect. Finally, the damage model of synergistic effect of ionizing radiation will be established. The results will provide theoretical basis and technical support for the extravehicular reliable application of domestic active devices, and supply methodological guidance for radiation hardened evaluation of SiGe HBT in extreme space environment.

SiGe HBT卓越的温度特性(-180℃至+200℃)，使有源器件在极端空间环境中首次具备了舱外应用的潜力，此时，总剂量效应与单粒子效应的协同作用成为制约其空间长期可靠应用的关键问题。然而，材料与结构的新特征使SiGe HBT电离辐射协同效应的损伤机制尚不清楚，极端环境对协同效应的影响机理也未开展相关研究。本项目针对SiGe HBT，采用数值仿真与辐照实验相结合的方法，开展极端环境作用下电离辐射总剂量与单粒子协同效应损伤机制研究。揭示辐射诱发陷阱电荷特征影响单粒子效应的微观损伤机理，分析协同效应微观机理对SiGe HBT宏观电学特性退化的作用机制；探索极端温度环境中总剂量辐照与单粒子效应的协同作用响应特征，掌握极端温度与协同效应相互作用规律；建立空间极端环境中SiGe HBT综合辐射效应损伤模型。研究结果将为国产有源器件太空极端环境中的舱外可靠应用与抗辐射性能评估提供理论基础与技术支持。

锗硅（SiGe）异质结双极晶体管（HBT）卓越的温度特性（低温-180℃至高温+200℃），使有源器件在极端空间环境中首次具备了舱外应用的潜力，大幅度降低了系统体积、重量、功耗和发射成本，扩展了芯片远程功能，成为太空极端环境领域有力的竞争者。然而，综合应用于航天器舱体外部的电子系统，其必将面临的实际空间环境是一个由多样粒子与宇宙射线组成的复杂环境。一方面，电子器件将在较短时间内接受到较高累积剂量的电离辐射，另一方面，器件辐射损伤表现出总剂量效应、单粒子效应、以及位移损伤综合作用下的协同机制。此时，电离辐射总剂量效应与单粒子效应的协同作用成为制约其空间长期可靠应用的关键问题。.本项目针对SiGe HBT器件，采用计算机数值仿真与辐照实验相结合的方法，开展电离辐射总剂量与单粒子协同效应损伤机制研究。揭示辐射诱发陷阱电荷特征影响单粒子效应的微观损伤机理，分析协同效应微观机理对SiGe HBT宏观电学特性退化的作用机制；建立空间极端环境中SiGe HBT综合辐射效应损伤模型。.研究结果表明，电离辐射总剂量效应在SiGe HBT器件氧化层中引入的深能级氧化物陷阱正电荷形成的空间电场对单粒子效应畸变静电势的影响是协同效应的主要影响因素；同时，辐射诱发的界面陷阱电荷也对单粒子效应扩散电荷的收集起到少量复合作用。电离辐射总剂量效应具备抵消SiGe HBT单粒子效应损伤的可能，同时SiGe HBT具有较好的抗总剂量效应的能力，较高累积剂量下器件没有出现明显的实效，因此，对SiGe HBT开展合理的γ射线预辐照有潜力成为其抗单粒子效应加固的方法之一。研究结果将为国产有源器件太空极端环境中的舱外可靠应用与抗辐射性能评估提供理论基础与技术支持。