双极电压比较器低剂量率辐照损伤增强效应的变温辐照加速评估方法

马武英，陆 妩，郭 旗，吴 雪，孙 静，邓 伟，王 信，吴正新

(1.中国科学院 特殊环境功能材料与器件重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830011；2.中国科学院 新疆理化技术研究所，新疆电子信息材料与器件重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830011；3.中国科学院大学，北京 100049)

自20世纪90年代发现双极器件在空间低剂量率下的损伤较实验室高剂量率下的损伤大以来，双极器件及电路的剂量率效应成为国际航天领域关注的热点[1-2]。由于低剂量率辐照损伤增强效应(ELDRS)的存在，意味着采用实验室高剂量率(0.5～3 Gy(Si)/s)评估双极器件的抗辐射水平，与电子元器件在空间小剂量率环境下的实际抗辐射能力严重不符，从而给卫星、空间站等电子系统的可靠性带来极大隐患。然而，用空间低剂量率来评估电子器件的抗空间辐射能力，既不经济又耗时耗力。因此，找到一种能在实验室应用，且高效可靠的双极器件ELDRS的加速评估方法具有重要意义。

目前，国外对双极器件ELDRS的加速评估方法进行了广泛的研究[3-7]，提出了恒高温辐照、氢氛围中辐照和变剂量率加速方法。然而这3种方法均具有一定的局限性，恒高温辐照方法仅对某些特定类型的器件有较好的评估效果；氢氛围中辐照方法亦面临着同样问题，既不能很好地模拟所有双极器件的ELDRS，又存在可操作性差的缺点；变剂量率加速方法是目前最受关注的评估手段，它将电离辐射引起器件的损伤趋势分为3个区域，即阈值区、线性区及饱和区，通过选取不同的变剂量点，利用高剂量率辐照，使器件很快进入不同程度的线性区，然后再在低剂量率下进行辐照，利用平移的方法模拟低剂量率损伤趋势，从而减少低剂量率辐照的时间，但这种方法需大量的器件来进行试验。由于低剂量率辐照的限制，评估时间也相对较长，且对于器件的一致性有较高的要求。此外，研究发现，双极器件的辐射响应与工艺过程、电路类型及偏置条件均有密切关系，不同公司生产的同种类型电路，辐射响应存在差异，同一公司生产的不同器件表现出不同的辐照损伤，且相同器件在不同的偏置条件下，亦会表现出不同的辐射响应。文献[8-9]在对大量加速评估方法研究的基础上，提出了变温辐照加速评估方法，此方法不仅能很好地模拟且保守地评估器件的ELDRS，而且能快速鉴别器件是否具有剂量率效应。变温辐照加速评估方法的普适性已在双极晶体管、纯双极运算放大器、JEFT输入型运算放大器和线性稳压器上得到验证。然而，变温辐照加速评估方法能否评估电压比较器还未知。此外，考虑到空间应用中半导体器件会处于工作和备用状态，所以有必要研究不同偏置状态下电压比较器的辐射响应及加速评估方法。因此，本文选取3款不同公司生产的同种型号双极电压比较器(以下简称电压比较器)LM2903进行不同偏置条件下高、低剂量率及变温辐照实验。

1 实验样品和实验方法

为研究相同型号不同公司生产的器件辐照损伤差异，本实验选用来自3个不同公司的电压比较器，实验样品信息列于表1，辐照实验在中国科院新疆理化技术研究所的60Co γ辐照源上进行，辐照实验采用了3种辐照方法，即高剂量率辐照法(HDR，0.50 Gy(Si)/s)、低剂量率辐照法(LDR，0.45 mGy(Si)/s)、变温辐照法(STA，0.02 Gy(Si)/s)。辐照总剂量均为1 kGy(Si)，辐照偏置分为零偏偏置(所有管脚接地)和工作偏置(Vin+=5 V，Vin-=0，Vcc=5 V，Vee=0)。

表1 实验样品信息

变温辐照实验在特制的专用于辐照实验的恒温箱内进行，箱内置有抗辐射的高灵敏热敏电阻，可实时保证高温辐照期间烘箱内的温度变化不超过±2 ℃。变温辐照实验的具体方法为：首先在125 ℃下将器件辐照到200 Gy(Si)的总剂量，然后在100 ℃下辐照至400 Gy(Si)，再在65 ℃下辐照至800 Gy(Si)，最后在50 ℃下辐照至1 kGy(Si)。室温辐照时均将实验样品屏蔽在根据美军标制作的Pb/Al屏蔽盒内，以屏蔽低能散射，防止剂量增强效应的发生。

参数测试采用Amida3000静态参数测试仪，电压比较器测试采用辅助运算放大器法测试，测量参数包括偏置电流、失调电压、失调电流、电源电流及输入输出曲线等，以上参数测试均在辐照结束后30 min内完成。

2 结果分析

对不同公司生产的电压比较器的高、低剂量率及变温辐照的研究结果表明，被测试电压比较器的电路对电离辐射均相当敏感，且不同公司的电压比较器，由于生产工艺不同，表现出不同的辐射响应差异。在所测试的电参数范围内绝大多数参数皆发生退化，其中电源电流、偏置电流最为敏感。工作偏置条件下失调电压亦是辐射敏感参数。

2.1 变温辐照方法对TI公司电压比较器的影响

图1为零偏偏置和工作偏置下，TI公司电压比较器LM2903在高、低剂量率及变温辐照时，电源电流随总剂量的变化。可看出，在3种辐照条件下，电源电流均随总剂量的增大而减小。而低剂量率下的辐照损伤明显大于高剂量率下的辐照损伤，该器件电源电流辐射敏感参数具有潜在的ELDRS。对比变温辐照与低剂量率辐照实验结果可知：变温辐照能保守地评估该器件电源电流参数的低剂量率辐照损伤程度；工作偏置与零偏偏置条件下，电源电流的辐射响应存在明显差异，在工作偏置条件下，高、低剂量率的辐照损伤无明显差异，即该器件表现为无剂量率效应，而零偏偏置条件下该器件存在低剂量率辐照损伤增强效应。

TI公司电压比较器在零偏偏置和工作偏置条件下，高、低剂量率及变温辐照时偏置电流随总剂量的变化如图2所示。变温辐照实验在累积总剂量至1 kGy(Si)时，偏置电流超出测试量程。分别对比两种偏置条件高、低剂量率下的损伤曲线可知，该器件偏置电流参数具有潜在的ELDRS。由变温辐照和低剂量率辐照实验结果可看出，变温辐照可保守地评估该器件在不同偏置条件下偏置电流的低剂量率损伤趋势。

输入失调电压的大小反映了电压比较器制造中电路的对称程度和电位配合情况。零偏偏置下，电压比较器输入级晶体管处于相同偏置状态，故辐照损伤响应大致相同，即失调电压在零偏偏置时不发生大的变化，而工作偏置条件下输入级晶体管处于不同的偏置状态，从而导致辐照损伤变化不同，宏观参数表现为失调电压的变化[8]。图3为工作偏置条件下，高、低剂量率及变温辐照时，失调电压随总剂量的变化情况。变温辐照实验在累积总剂量至1 kGy(Si)时，失调电压超出测试量程。从高、低剂量率下的辐照损伤趋势可知，该器件失调电压参数具有ELDRS。从图3中变温辐照和低剂量率下的辐照实验结果可看出，变温辐照评估方法可很好地模拟该器件的ELDRS。

图1 TI公司电压比较器在不同辐照条件下电源电流随总剂量的变化

图2 TI公司电压比较器在不同辐照条件下偏置电流随总剂量的变化

图3 TI公司电压比较器在不同辐照条件下失调电压随总剂量的变化

2.2 变温辐照方法对ST公司电压比较器的影响

图4为ST公司电压比较器在零偏偏置和工作偏置下，高、低剂量率及变温辐照时，电源电流随总剂量的变化。与TI公司电压比较器电源电流辐射响应不同的是：ST公司电压比较器在零偏偏置和工作偏置时，不同剂量率下的辐照损伤之间无明显差异，即表明该器件无剂量率效应。

图5为零偏偏置和工作偏置下，高、低剂量率和变温辐照时，偏置电流随总剂量的变化。当总剂量为1 kGy(Si)时，变温辐照结果超出测试量程。与TI公司电压比较器偏置电流变化趋势相同，但辐照损伤程度存在差异，通过高、低剂量率损伤趋势的对比，表明此器件偏置电流参数在两种偏置状态下均具有潜在的ELDRS。通过低剂量率与变温辐照的损伤变化趋势对比，可看出变温辐照可很好地模拟该器件不同偏置状态下的低剂量率损伤趋势，且当累积剂量至1 kGy(Si)时，变温辐照损伤均高于低剂量率损伤，表明变温辐照加速评估方法可保守地评估该器件的ELDRS。

工作偏置条件下，在高、低剂量率及变温辐照时，ST公司电压比较器失调电压随总剂量的变化趋势如图6所示。从图6可看出与图3类似的结果，变温辐照能很好地模拟ST公司电压比较器在低剂量率下的损伤规律。

图4 ST公司电压比较器在不同辐照条件下电源电流随总剂量的变化

图5 ST公司电压比较器在不同辐照条件下偏置电流随总剂量的变化

图6 ST公司电压比较器在不同辐照条件下失调电压随总剂量的变化

2.3 变温辐照方法对Rohm公司电压比较器的影响

图7为Rohm公司电压比较器在零偏偏置和工作偏置下，高、低剂量率和变温辐照时，电源电流减少量随总剂量的变化。可看出，在两种偏置状态，不同辐照条件下辐照时，电源电流减少量均随总剂量的增大而增大，但低剂量率下，偏置电流增加幅度和速度尤为显著，表明Rohm公司电压比较器的电源电流存在ELDRS。变温辐照下的损伤较高剂量率辐照下的损伤大，且与低剂量率辐照方法下的损伤接近。

Rohm公司电压比较器在零偏偏置和工作偏置条件下，高、低剂量率和变温辐照时，偏置电流随总剂量的变化趋如图8所示。可看出，在两种偏置条件下，偏置电流在低剂量率下的损伤明显大于高剂量率下的损伤，该器件偏置电流参数具有ELDRS。分别对比两种偏置条件下低剂量率和变温辐照的损伤趋势可知，变温辐照能较为真实地模拟该器件在不同偏置条件下的ELDRS。

Rohm公司电压比较器在零偏偏置和工作偏置条件下，高、低剂量率及变温辐照时，失调电压随总剂量的变化如图9所示。在高剂量率辐照时，该器件失调电压未发生明显变化，而在变温和低剂量率条件下辐照时，失调电压随总剂量的累积而明显增大。与ST和TI公司的电压比较器相同，Rohm公司电压比较器失调电压参数具有ELDRS，而变温辐照评估方法能很好地模拟该器件的ELDRS。

图7 Rohm公司电压比较器在不同辐照条件下电源电流减少量随总剂量的变化

图8 Rohm公司电压比较器在不同辐照条件下偏置电流随总剂量的变化

图9 Rohm公司电压比较器在不同辐照条件下失调电压随总剂量的变化

3 讨论

上述实验结果表明，不同公司生产的同种型号电压比较器LM2903，虽具有相同的辐射敏感参数，包括电源电流、偏置电流和工作偏置条件下的失调电压，但其辐射响应却由于工艺和偏置条件的不同而变化。Rohm公司电压比较器的电源电流和偏置电流在两种偏置条件下均表现出ELDRS；TI公司电压比较器的电源电流在工作偏置下表现为无剂量率效应，零偏偏置下表现为ELDRS，两种偏置条件下偏置电流均表现出ELDRS；ST公司电压比较器在两种偏置下，电源电流均表现出无剂量率效应，偏置电流表现出ELDRS。变温辐照的评判方法完全符合文献[8-9]中提出的评判标准。

偏置对电压比较器辐照损伤的影响，文献[10]已作了大量探讨；而对于双极电路的ELDRS，文献[1-2,11-14]用空间电荷模型进行了解释，在此均不再累述。而同种电路结构不同生产厂商的比较器辐射效应的差异，主要是由于工艺不同所造成，生产过程中的杂质引入、表面处理及栅氧层厚度等因素均决定着辐射电离产生的氧化物陷阱电荷和界面态数量，从而导致辐照损伤的差异。

变温辐照加速评估方法能成功评估电压比较器的主要原因有两个。1) 与辐射感生的深、浅氧化物陷阱电荷的不同退火特性有关[13-14]。研究表明，氧化物陷阱电荷在室温下就能失去束缚电荷发生退火。变温辐照的前半阶段采用了125 ℃和100 ℃的温度辐照，大量的深、浅氧化物陷阱电荷发生退火，造成氧化物空间电场减弱。此外，由于温度的影响，辐照过程中所产生的电子和空穴对动能增大，导致输运到表面且能参与界面态形成的空穴数随之增加，从而使更多的空穴和H+在很小的空间电场阻碍下快速迁移到SiO2-Si界面，与界面处的悬挂键形成大量的界面态，而界面态在175 ℃高温下才会发生大量退火；变温辐照的后半阶段随着辐照温度降低至65 ℃和50 ℃，在界面态继续形成的同时，仅有浅氧化物陷阱电荷发生了退火，大部分深氧化物陷阱电荷被保留下来，使得在变温辐照下氧化物中拥有最大的辐照感生净正氧化物陷阱浓度和界面态浓度，最终导致损伤增强。2) 研究发现辐照损伤并非随辐照温度的升高而持续增长，而是随着辐射剂量的增加使辐照损伤达到最大的辐照峰值温度逐渐向低温方向移动，与总剂量呈线性关系[12]。阶梯降温的变温辐照加速评估方法利用辐射最大损伤峰值温度与总剂量的线性关系特性，发挥了其辐照损伤的作用。因此，变温辐照法最大程度地激发了辐照感生的陷阱电荷对电路的损伤，体现了氧化物电荷和界面态对电路造成的最大影响。采用变温辐照法评估上述3款电压比较器的结果表明：变温辐照加速评估方法能较真实地模拟其各种辐射敏感参数的低剂量率辐照损伤，并快速鉴别其辐射效应。

4 结论

1) 对于不同公司同种型号的电压比较器LM2903，在不同偏置条件下的辐射效应实验研究表明：偏置电流和电源电流是电压比较器辐射敏感参数，偏置电流随总剂量的增大而增大，而电源电流随总剂量的增大而减小。在工作偏置下，失调电压成为辐射敏感参数，并随总剂量的增大而增大。然而，不同公司电压比较器的辐射响应存在差异，同一公司电压比较器在不同偏置条件下也表现出不同的辐照损伤。

2) 不同公司电压比较器的变温辐照加速评估实验结果表明：变温辐照加速评估方法能较真实地模拟各种辐射敏感参数的低剂量率辐照损伤，并快速鉴别其辐射效应。

3) 变温辐照加速评估方法可将实验室加速评估的总剂量范围扩展至1 kGy(Si)，原因是升温辐照造成了大量浅陷阱氧化物电荷的退火，减弱了空间电场的强度，致使更多的空穴和H+可到达Si-SiO2界面形成界面态。

4) 变温辐照方法对3款不同公司电压比较器的成功加速评估，使变温辐照加速评估方法的普适性得到了更进一步的验证。

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