横向PNP晶体管质子辐照损伤的缺陷间能级耦合机制

刘 岩，陈 伟，王忠明，王茂成，王 迪，刘卧龙，王百川，杨 业，姚志斌，郭晓强，王晨辉，白小燕

(强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室；西北核技术研究所： 西安 710024)

随着空间技术的不断发展，越来越多的电子器件应用于空间辐射环境中，空间环境中高能质子造成的位移损伤效应将对电子器件的性能造成严重损伤，进而影响航天器的效能。质子位移损伤等效分析对评估电子器件抗空间位移损伤性能具有重要意义[1]。质子是带电粒子，能在半导体器件中同时产生电离和位移损伤效应。当电离和位移损伤效应同时作用于电子器件时，由于效应之间的耦合作用[2]，将难以区分这2种效应，给等效性分析带来困难。目前，国内外广泛采用基于非电离能损(nonionizing energy loss，NIEL)的位移损伤等效方法对不同种类粒子产生的位移损伤开展等效性分析[3]，但这种方法主要考虑与初始缺陷相关的非电离能量沉积，无法考虑退火及最终稳态对辐照损伤产生的影响，也未考虑电离能量沉积的影响。Bielejec等[4]研究了双极型晶体管中子、轻离子和重离子位移损伤的等效性，结果表明，轻离子导致的位移损伤会偏离Messenger-Spratt关系，他们将这种偏差归因于电离能量沉积产生的影响。

为准确分析质子位移损伤的特征，分析质子短期与长期电离损伤对位移损伤的影响机制，本文利用栅控电荷分离方法[5-6]对比分析了横向PNP晶体管3 MeV质子与反应堆中子位移损伤的差异性，分析了质子辐照后经长期室温退火后的界面陷阱演化特征及其对位移损伤的影响机制。

1 横向PNP晶体管质子与中子辐射效应对比实验

本文采用的横向PNP晶体管带有栅控结构，利用栅控电荷分离方法可对辐照后器件的氧化物陷阱电荷、界面态和表征位移损伤的少数载流子寿命定量测量。图1为质子辐照前后栅控LPNP晶体管(GCLPNP BJTs)的基极电流IB随栅压VG变化关系。[7]。

峰值电压位置的变化表征了辐照对氧化物陷阱电荷的影响，相对峰值高度表征了辐照对界面态的影响，这2个参数主要是由电离总剂量效应引起的；而扫描曲线右侧平台的抬升则表征了少数载流子寿命的变化，这主要是由位移损伤引起的。

地面模拟环境中常采用反应堆中子作为位移损伤效应模拟源，由于中子不带电，中子辐照试验中器件无需开盖处理。中子辐照效应主要为位移损伤效应，可有效控制伴生电离辐照效应对位移损伤的影响。本文横向PNP晶体管中子辐照实验利用西安脉冲反应堆的3#辐照装置开展，实验中反应堆采用100 kW功率运行，1 MeV等效中子注量率为5.8×109cm-2·s-1。根据双极型晶体管的位移损伤特征，增益和少数载流子寿命倒数的退化均与位移损伤剂量呈线性关系，可表示为

其中：hFE为晶体管电流增益，hFE=IC/IB；IC为集电极电流；KΦ和Kτ为位移损伤因子；Φn为中子注量；τ(0)，τ(Φn)分别为辐照前后少数载流子的寿命。通过式(1)可对中子和质子辐照引起的位移损伤效应进行对比。

在西安200 MeV质子应用装置(Xi’an 200 MeV proton application facility, XiPAF)上对LPNP晶体管上开展了质子辐照实验。为避免封装材料及空气对入射质子能量产生影响，将器件进行开盖处理，并置于真空腔内不加偏置进行辐照，辐照质子能量为3 MeV，共辐照2个注量点，分别为1.83×1012cm-2和3.64×1012cm-2。每次辐照完毕后取出样品进行增益参数和栅扫描测试，测试在辐照后0.5 h内完成。质子辐照的频率为1 Hz，质子束脉冲宽度为60 μs，质子注量可根据质子束流强度计算得到。计算得到的质子数是整个加速器靶面的总数量，由于质子束流强度在靶面的分布服从高斯分布，需对器件的实际累积质子注量进行修正。在辐照过程中2只器件并排布放置于靶面中心。器件辐照板区域为17.5 mm×6.56 mm，器件敏感区尺寸为6.5 mm×4.5 mm,器件置于辐照板两端，如图2所示。计算得到3 MeV质子在器件敏感区域内累积的质子注量占束流总注量的8.9%。

为便于对比质子辐照损伤与中子辐照位移损伤效应，基于中子非电离能损，将3 MeV质子辐照注量转换为1 MeV等效中子注量，如表1所列。其中：Ep为质子能量；Ibeam为束流强度；Φp为质子注量；Φn1为1 MeV 等效中子注量。

表1 3 MeV质子辐照试验辐射环境参数Tab.1 Radiation environment parameters of 3 MeV proton irradiation test

2 实验结果

2.1 晶体管增益与少数载流子寿命的对比

图3为3 MeV质子与反应堆中子辐照后GCLPNP BJTs增益退化的倒数随1 MeV等效中子注量的变化关系。由图3可见，质子辐照后，GCLPNP BJTs增益退化的倒数和1 MeV等效中子注量依然呈线性关系，但损伤因子显著大于1 MeV等效中子所造成的损伤。1 MeV等效中子所造成的损伤因子约为6.5×10-14cm2，3 MeV质子造成的损伤因子约为3.6×10-13cm2，约是1 MeV等效中子造成的损伤因子的5.5倍。仅凭NIEL对比质子和中子导致的增益退化存在较大的差异，原因是质子辐照损伤除导致位移损伤外，还会造成严重的电离总剂量损伤，2种效应同时作用造成GCLPNP BJTs增益退化。由于晶体管增益测试过程中无法区分电离损伤和位移损伤，因此，选择器件敏感参数对不同粒子基于NIEL等效方法的可行性至关重要。

利用栅扫描测试方法，对不同注量3 MeV质子与反应堆中子辐照后的器件进行了扫描测试，测试结果如图4所示。

由图4可见，质子辐照后，器件的栅扫描峰值显著发生负漂，相对峰值高度明显增大，整体扫描曲线抬升，表明氧化物陷阱电荷密度增大、界面态增加和少数载流子寿命降低；反应堆中子辐照后，栅扫描曲线主要表现为整体曲线的抬升，表明少数载流子寿命退化，体现出位移损伤为主的损伤机制。

少数载流子寿命可表示为[7]

(2)

根据式(2)可计算得到不同注量质子辐照下少数载流子的寿命，并与1 MeV等效中子造成的少数载流子寿命退化规律进行对比。其中：pE为横向PNP晶体管的流片的发射极周长，332 μm；hE为发射极结深，1.5 μm；Ni为本征载流子浓度，1.5×1010cm-3；xB为基区宽度，12 μm；Nd为基区掺杂浓度，1.5×1015cm-3；VBE为栅扫描测试条件下的射基极偏压，0.4 V；k为玻尔兹曼常数；T为温度，300 K；xd为射基结耗尽层宽度，可表示为[8]

(3)

其中：xN和xP分别为耗尽层在N型和P型材料中所占的宽度；Na为发射极掺杂浓度，1.0×1019cm-3；εs为半导体介电常数；Vbi为结内建电场；V为PN结内部实际电压。通过式(3)计算得到射基结耗尽层宽度xd为0.842 μm，最终得到晶体管的少数载流子寿命为

(4)

基于式(4)，可计算得到不同注量质子和1 MeV等效中子辐照后晶体管的少数载流子寿命。3 MeV质子与反应堆中子辐照后，LPNP晶体管少数载流子寿命倒数的退化随1 MeV中子等效注量的变化关系，如图5所示。由图5可见，与增益倒数退化规律的差异相比(见图3)，基于少数载流子寿命退化计算得到3 MeV质子与反应堆中子的位移损伤效应规律更接近，表明利用栅控电荷分离方法测量少数载流子寿命参数更适用于位移损伤等效分析。但通过线性拟合发现，质子造成少数载流子寿命损伤因子大于中子造成少数载流子寿命损伤因子，表明电离总剂量效应加剧了少数载流子寿命的退化，这与文献中关于总剂量效应加剧位移损伤的研究结果一致[9-12]。

2.2 质子辐照后GCLPNP BJTs的长期退火特征

为分析质子辐照损伤的长期退火特性，对长时间室温退火后的晶体管参数退化特性进行了测试。图6为不同注量3 MeV质子辐照和200 d室温退火后，GCLPNP BJTs的栅扫描参数测试结果。由图6可见，随着辐照注量的增加，器件的氧化物电荷和界面态陷阱密度显著增大，少数载流子寿命产生明显退化；200 d退火后的测试结果则表明氧化物陷阱电荷发生了显著减小，界面态增大，且栅扫描峰值发生展宽，向两侧偏移，少数载流子寿命进一步下降，表明基区复合进一步加剧。图7为不同注量3 MeV质子辐照和200 d室温退火后，GCLPNP BJTs增益参数的测试结果。由图7可见，200 d退火后晶体管增益发生了一定的恢复，这与栅扫描的结果不一致。

对于GCLPNP BJTs，氧化物陷阱电荷将导致基区表面处于累积状态，抑制表面复合，氧化物陷阱电荷浓度越大，基区复合越小，因此，氧化物陷阱电荷浓度Nox的降低不会使基极电流减小，界面态陷阱电荷的增加和少数载流子寿命的降低均会导致过剩基极电流增大，降低晶体管增益。栅扫描的结果表明基极电流会变大，可推断晶体管增益的增大只能是由集电极电流增大引起的。图8为不同注量质子辐照及退火后，基极和集电极的I-V曲线。

由图8可见，基极电流一直在增大，而集电极电流在辐照后减小，退火后增大，发生一定程度的恢复。由于晶体管增益是集电极电流除以基极电流，因此，退火后虽然基极电流还在进一步退化，但是集电极电流的增加导致了晶体管增益的恢复。集电极电流可表示为[13]

(5)

其中：Ae为发射极面积；Wb为基区宽度；Dn为载流子扩散系数。由式(5)可知，随着氧化物陷阱电荷的退火，基区表面累积的氧化物陷阱电荷浓度nb0下降，因此被减弱的VBE得到了一定程度的恢复；同时，受表面电势影响而展宽的有效基区宽度减小。因此，集电极电流的变化与电离总剂量效应导致的氧化物陷阱电荷具有相关性。

3 质子辐照后的栅扫描曲线峰值展宽分析

对于GCLPNP BJTs，在不同次序中子、γ辐照和质子辐照200 d退火的栅扫描测试结果中，均观察到了栅扫描峰值展宽的现象，同时峰两侧的斜率显著减小。图9为3 MeV质子辐照后与200 d退火后的栅扫描I-V曲线。

根据文献[14]报道，表面电势变化主要是因界面陷阱作为施主陷阱影响平带电压或受主陷阱影响反型电压，动态影响栅扫描过程中辐射感生产物而导致的。栅扫描的测量过程中，Si/SiO2表面电势随栅电压的扫描不断变化，辐射感生的界面陷阱在这个过程中受电压极性的影响会带正电或负电，与氧化物陷阱电荷累积导致的电压变化叠加在一起，最终导致表面势的变化。外加电场能使界面陷阱能级位置发生相对变化，因此在不同的表面势影响下，界面陷阱既可作为复合中心呈电中性，又可从沟道中俘获载流子作为施主陷阱或受主陷阱。界面陷阱具体呈现为何种特性与表面处的陷阱浓度、陷阱在禁带中所处能级的位置及表面电场强度有关。姚志斌等[14]分析了不同施主能级位置和不同受主能级位置对栅扫描峰斜率的影响，结果表明施主陷阱使栅扫描曲线向反型侧展宽，受主陷阱使曲线向平带侧展宽。陷阱能级越远离禁带中央，展宽效应越明显。因此，可利用辐照前后栅扫描曲线的峰值变化定性分析辐射感生界面陷阱的能级位置演化特征：

(1)当平带侧与反型侧的半高宽基本相等时，辐射感生的施主陷阱浓度与受主陷阱浓度相近；当平带侧半高宽显著大于反型侧时，辐射感生的界面陷阱主要为受主陷阱，反之则主要为施主陷阱。

(2)平带侧和反型侧复合电流的变化率与陷阱能级位置相关，较浅的陷阱能级位置导致复合电流的变化率变小，深能级使复合电流的变化率变大，峰值更加陡峭。基于上述分析结论，结合图9的实验结果可见，质子辐照经长期退火后，界面陷阱的类型既有施主陷阱又有受主陷阱，与辐照后相比，退火后，界面陷阱浓度显著增大，陷阱的能级位置均向浅能级演化。

4 质子辐照退火的位移损伤加剧机理分析

由质子辐照的退火实验结果可见，晶体管的基极电流在长期室温退火条件下发生了退化加剧现象。由栅扫描曲线的特点分析可见，长期退火后，界面态密度大大增加，并向平带侧展宽，氧化物陷阱电荷退火，少数载流子寿命继续降低。虽然界面态的增大会导致正常工作的晶体管基极表面复合电流增大，但体损伤导致的体复合电流同样产生了显著退化加剧。根据栅扫描测试的原理，当基区表面平带时，表面处载流子浓度相差很大，根据 SRH(Shockley-Read-Hall)复合理论，界面陷阱作为复合中心的作用很小。而位移损伤的退火特性已有大量的文献报道，只有恢复性退火，并最终达到一个稳定的状态。因此，在氧化物陷阱电荷密度减小的情况下，可认为界面陷阱与体缺陷之间存在着相互耦合，且随着界面陷阱特征的不断演化，耦合作用变得更加显著。

在辐射效应机理的研究中，常用SRH复合理论分析半导体材料中的载流子复合过程，考虑禁带中单个缺陷能级对电子或空穴的俘获与复合的影响。图10为经典SRH复合理论与缺陷耦合过程的能带示意图。当多个缺陷能级存在时，SRH方法将分别计算单个缺陷对载流子复合的影响并进行叠加，如图10(a)所示。在辐射效应的早期研究中，由于缺乏足够的实验数据支持，通常不考虑缺陷间的耦合作用[15]。近年来，随着辐射效应研究的不断深入，已有研究在实验上观察到了缺陷间电荷转移过程加剧载流子复合的现象[16-17]，如图10(b)所示。它超越了SRH单缺陷能级模型的理论框架。因此，当多个缺陷能级同时作用于半导体材料时，需要对SRH复合理论进行一定的修正，描述缺陷间的耦合过程。

以图10中的双缺陷能级为例，当2个能发生耦合作用的缺陷能级E1和E2同时作用于半导体材料时，自由载流子在陷阱、导带及价带间的电荷转移需要考虑10种作用过程，如图11所示。

其中，en1,2,ep1,2,cn1,2,cp1,2分别为缺陷能级E1和E2在单位时间内对电子和空穴的发射和俘获概率；e12和c12为2个缺陷能级间的载流子发射率和俘获率，这是双缺陷耦合模型与SRH复合模型的不同之处。基于SRH复合理论，缺陷能级E1和E2对应的复合率为R1和R2，复合过程仅限于缺陷和价带或导带之间。当不考虑缺陷之间的电荷交换时，基于SRH复合的总复合率为R=R1+R2。双缺陷耦合模型则在SRH复合模型的基础上增加了缺陷间的电荷转移过程，在特定的能级位置上，缺陷间的电荷转移将会加剧载流子复合，造成更严重的损伤。对于缺陷能级间的耦合作用，已有少量文献对耦合过程开展了理论分析，称为耦合缺陷能级复合(coupled defect level，CDL)[18-20]。Racko等[21]对能级位置差异对反偏PN结复合电流的影响程度进行了仿真分析，得到不同模型条件下，反偏二极管电流密度和ICDC/ISRH随缺陷能级差的变化关系，如图12所示。

在仿真中，PN结反偏电压为2 V，E1能级和E2能级具有相同的缺陷密度和载流子俘获截面，在禁带中央位置两侧对称地改变E1和E2能级的位置差ΔEt。

图12中，SRH复合采用经典SRH复合模型，CDL则考虑2种缺陷间的电荷交换过程，右侧坐标为CDL复合电流与SRH复合电流的比值，用于表征CDL效应的强度。由图12可见，能级位置差ΔEt对CDL效应的影响呈现对称性，在ΔEt=0.3 eV附近CDL效应产生最大值;当ΔEt=0或ΔEt大于禁带宽度一半时,CDL效应影响较弱。因此，可预见当接近禁带中央同时存在一个深能级和一个浅能级时，较合适的ΔEt值将产生显著的CDL效应。

5 结论

本文分别利用晶体管增益和少数载流子寿命的退化，对比了3 MeV质子辐照与1 MeV等效中子辐照的位移损伤因子。结果表明，质子辐照下晶体管增益参数不再适用于效应等效对比，存在较大差异；但少数载流子寿命退化的对比符合NIEL的计算结果，与中子位移损伤效应的损伤因子相比，质子辐照损伤存在一定程度的加剧。分析了质子辐照及等温退火200 d后的晶体管增益参数和栅扫描变化特征，发现了基区复合加剧退化现象。根据超越SRH复合理论的缺陷间耦合效应机制对效应现象进行了分析，分析结果表明，界面陷阱浅能级缺陷增加时，界面陷阱与体缺陷间的耦合作用会显著加剧载流子复合。

致谢

本文实验工作在西安脉冲堆和XiPAF进行。实验过程中，运行操作人员热情周到的服务、精准可靠的辐照控制对实验的顺利实施帮助良多，在此深表感谢！