专栏:半导体材料、器件、电路与集成微系统的辐射效应2022(6);2022(9)

发刊词

 

经过半年多的征稿与筹备,《半导体材料、器件、电路与集成微系统的辐射效应》专栏正式和大家见面了!

从地面到浩瀚深空,我们生产生活及国防安全中使用的电子产品,涉及半导体材料、器件、电路与集成微系统,会与多种辐射因素(包括质子、中子、重离 子、高能伽马射线等)发生极为复杂的相互作用,形成各种各样的辐射效应,并通过与其他环境及工艺因素相互耦合,随尺度逐层传递、放大,给电子产品的可 靠性和寿命带来不可忽视的影响。以航天领域为例,据资料记载,由各种辐射效 应所引起的航天器故障约占总故障的40%左右,居航天器各类故障之首。未来航天器的运行周期更长,运行环境更加复杂,伴随电子产品材料体系更多样,集成度更高,功能更复杂,电子产品的辐射可靠性问题将面临更多的新挑战。因此,深入研究半导体材料、器件、电路与集成微系统的辐射效应机制,开发辐射效应多尺度建模与数值仿真技术、精密表征与实验测试技术,以此为基础提高其抗辐射能力,具有极为重要的科学意义与实际价值。

因此,本刊设立了《半导体材料、器件、电路与集成微系统的辐射效应》专栏,邀请了6位对半导体辐射效应有着深刻理解与工程实践经验的专家担任编委,组织征稿,旨在报道半导体辐射效应领域最新的研究成果,实现相关专业最新进 展的互通互享,促进我国半导体辐射效应研究领域的发展。通过半年多的稿件征集,本专栏吸引了许多学者、业内人士的关注与参与,最终精选出14篇原创性论文以荟集出刊。本次专栏内容十分丰富,既有关于材料、器件辐射效应的综述,也有位移效应、单粒子效应、总剂量效应等方面的数值仿真或实验研 究。在此,我们对关心并支持本专栏出版的各位领导、组稿专家学者,以及积极 参与专栏征文活动的所有作者表示衷心的感谢!

 

专栏主编:李  

专栏编委:郭红霞            贺朝会     薛建明     郑雪峰

专栏主编简介:李 沫,女,国家级青年人才,教授,博士生导师。主要从事新型微纳光电器件及其在毫米波太赫兹波中的应用技术、半导体材料与器件辐射效应研究等。主持10余项国家级项目,获省部级奖项等多项,发表SCI文章60余篇,授权发明专利16项。目前担任某国家级专家组专家、中国仿真学会集成微系统建模与仿真专委会副主任委员、中国电子学会量子电子学与光电子分会委员、中国核学会青年委员、中国电子学会高级会员、中国光学学会高级会员,以及《太赫兹科学与电子信息学报》和《真空电子技术》青年编委。

文章列表

  • 显示方式:
  • 简洁模式
  • 摘要模式
  • 1  锗硅异质结双极晶体管空间辐射效应研究进展
    李培,贺朝会,郭红霞,张晋新,魏佳男,刘默寒
    2022, 20(6):523-534. DOI: 10.11805/TKYDA2021443
    [摘要](201) [HTML](24) [PDF 4.62 M](2195)
    摘要:
    异质结带隙渐变使锗硅异质结双极晶体管(SiGe HBT)具有良好的温度特性,可承受-180~+200 ℃的极端温度,在空间极端环境领域具有诱人的应用前景。然而,SiGe HBT器件由于材料和工艺结构的新特征,其空间辐射效应表现出不同于体硅器件的复杂特征。本文详述了SiGe HBT的空间辐射效应研究现状,重点介绍了国产工艺SiGe HBT的单粒子效应、总剂量效应、低剂量率辐射损伤增强效应以及辐射协同效应的研究进展。研究表明,SiGe HBT作为双极晶体管的重要类型,普遍具有较好的抗总剂量和位移损伤效应的能力,但单粒子效应是制约其空间应用的瓶颈问题。由于工艺的不同,国产SiGe HBT还表现出显著的低剂量率辐射损伤增强效应响应和辐射协同效应。
    2  氮化镓HEMT器件辐射效应综述
    吕航航,曹艳荣,马毛旦,张龙涛,任晨,王志恒,吕玲,郑雪峰,马晓华
    2022, 20(6):535-542. DOI: 10.11805/TKYDA2022012
    [摘要](478) [HTML](49) [PDF 1.20 M](2449)
    摘要:
    在高频、大功率、高温、高压等领域,氮化镓高电子迁移率晶体管(HEMT)器件因其优异的耐辐射性能而被广泛地应用于卫星、太空探测、核反应堆等领域。尽管从理论和一些试验研究中可以得知,氮化镓材料具有良好的耐辐射特性,但在实际应用中,因其制作工艺及结构等因素的影响,氮化镓HEMT器件的耐辐射特性受到了很大的影响和挑战。本文介绍了氮化镓HEMT器件几种辐射效应,并对氮化镓HEMT器件辐射的研究进行了综述。
    3  氮化镓基白光发光二极管的快中子辐照效应
    魏彪,傅翔,汤戈,陈飞良,李沫
    2022, 20(6):543-548. DOI: 10.11805/TKYDA2022001
    [摘要](261) [HTML](128) [PDF 2.28 M](2057)
    摘要:
    对注入量为1×1014 cm-2的快中子(1.2 MeV)对氮化镓(GaN)基白光发光二极管(LED)器件的辐照效应进行研究。通过测量和分析器件的电致发光谱(EL)、光功率-电流(L-I)和电流-电压(I-U)特性,发现器件辐照后光功率降低,而EL谱形状几乎没有变化,表明该注入量的中子辐照主要对器件中的蓝光LED芯片造成了损伤。进一步分析发现,中子辐照导致蓝光LED量子阱中产生大量非辐射复合中心,增加了漏电流并减小了量子阱中载流子密度,从而降低LED的输出光功率。由此,在原有GaN基蓝光LED等效电路模型的基础上,加入由中子辐照导致的影响因素,不仅有助于理解中子辐照对LED光功率的衰退影响机理,还为预测辐照后光功率的变化提供了可行性。
    4  DSOI总剂量效应模型及背偏调控模型
    王海洋,郑齐文,崔江维,李小龙,李豫东,李博,郭旗
    2022, 20(6):549-556. DOI: 10.11805/TKYDA2021418
    [摘要](100) [HTML](24) [PDF 3.39 M](2053)
    摘要:
    总剂量辐射效应会导致绝缘体上硅金属氧化物半导体场效应晶体管(DSOI MOSFET)器件的阈值电压漂移、泄漏电流增大等退化特性。由于背栅端口的存在,SOI器件存在新的总剂量效应加固途径,对于全耗尽SOI器件,利用正背栅耦合效应,可通过施加背栅偏置电压补偿辐照导致的器件参数退化。本文研究了总剂量辐照对双埋氧层绝缘体上硅金属氧化物半导体场效应晶体管(DSOI MOSFET)总剂量损伤规律及背栅偏置调控规律,分析了辐射导致晶体管电参数退化机理,建立了DSOI晶体管总剂量效应模拟电路仿真器(SPICE)模型。模型仿真晶体管阈值电压与实测结果≤6 mV,同时根据总剂量效应模型给出了相应的背栅偏置补偿模型,通过晶体管背偏调控总剂量效应SPICE模型仿真输出的补偿电压与试验测试结果对比,N型金属氧化物半导体场效应晶体管(NMOSFET)的背偏调控模型误差为9.65%,P型金属氧化物半导体场效应晶体管(PMOSFET)为5.24%,该模型可以准确反映DSOI器件辐照前后阈值特性变化,为器件的背栅加固提供参考依据。
    5  石墨烯及石墨烯场效应管的辐照效应研究进展
    史明霞,王焕灵,陈飞良,李沫,张健
    2022, 20(6):513-522. DOI: 10.11805/TKYDA2022062
    [摘要](159) [HTML](23) [PDF 5.00 M](2221)
    摘要:
    石墨烯由于高迁移率、高导热性、柔韧性好和机械强度高等优异性能使其成为构筑新型纳米电子器件的重要材料,已成为电子信息、生物医学、显示等领域的研究热点。当石墨烯材料及其电子器件放置于含有辐照因素的场景中时,会因为与高能光子和带电粒子等相互作用而改变晶格结构或积累电荷,使石墨烯材料及电子器件的性能发生变化。本文主要综述了典型辐照因素对石墨烯及器件的主要效应及研究进展,旨在总结不同辐照在石墨烯及其电子器件中引发的物理效应,归纳其微观-宏观性质变化,为加深石墨烯材料及器件的辐照效应的理解,推动其在辐照场景中的实际应用奠定基础。
    6  PMOS剂量计对60Co和10 keV光子的剂量响应差异
    马函,何承发,孙静,荀明珠
    2022, 20(6):557-564. DOI: 10.11805/TKYDA2021442
    [摘要](180) [HTML](20) [PDF 3.19 M](2096)
    摘要:
    针对P型金属氧化物半导体(PMOS)剂量计对60Co和10 keV光子的剂量响应差异问题,本文对400 nm-PMOS剂量计进行了不同栅压条件下60Co γ射线和10 keV X射线的对比辐照试验,并通过中带电压法和电荷泵法分离氧化物陷阱电荷和界面态陷阱电荷的影响,发现PMOS对10 keV光子的响应明显低于60Co γ射线,其中主要的差异来自氧化物陷阱电荷,退火的差异表示不同射线辐照下的陷阱电荷竞争机制不同,不同的分析方法也带来一定差异。通过使用剂量因子和电荷产额修正,减小了剂量响应的差异,同时对响应的微观物理机制进行了解释。通过有效剂量修正和电荷产额修正可以很大程度上减小不同能量的剂量响应差异,为PMOS的低能光子辐射环境应用提供了参考。
    7  电离总剂量效应对HfO2栅介质经时击穿特性影响
    魏莹,崔江维,蒲晓娟,崔旭,梁晓雯,王嘉,郭旗
    2022, 20(9):903-907. DOI: 10.11805/TKYDA2022007
    [摘要](23) [HTML](25) [PDF 1.81 M](2026)
    摘要:
    针对纳米金属-氧化物-半导体(MOS)器件中采用的高介电常数HfO2栅介质,开展电离总剂量效应对栅介质经时击穿特性影响的研究。以HfO2栅介质MOS电容为研究对象,进行不同栅极偏置条件下60Co-γ射线的电离总剂量辐照试验,对比辐照前后MOS电容的电流-电压、电容-电压以及经时击穿特性的测试结果。结果显示,不同的辐照偏置条件下,MOS电容的损伤特性不同。正偏辐照下,低栅压下的栅电流显著增大,电容电压特性的斜率降低;零偏辐照下,正向高栅压时栅电流和电容均显著增大;负偏辐照下,栅电流均有增大,正向高栅压下电容增大,且电容斜率降低。3种偏置下,电容的经时击穿电压均显著减小。该研究为纳米MOS器件在辐射环境下的长期可靠性研究提供了参考。
    8  不同偏置下CCD器件γ射线及质子辐射研究
    杨智康,文林,周东,李豫东,冯婕,郭旗
    2022, 20(9):915-921. DOI: 10.11805/TKYDA2022009
    [摘要](309) [HTML](15) [PDF 2.39 M](2073)
    摘要:
    电荷耦合器件(CCD)是用于空间光电系统可见光成像的图像传感器,在空间应用环境下受辐射效应作用导致CCD性能退化甚至失效。对于CCD空间辐射效应的地面模拟试验研究,辐照试验中CCD采用合适的偏置条件是分析其空间辐射损伤的必要措施。由于CCD对质子辐照导致的电离总剂量效应和位移损伤效应均非常敏感,因此针对CCD空间应用面临的电离总剂量效应和位移损伤效应威胁,开展不同辐照偏置下CCD的辐射效应及损伤机理研究。针对一款国产埋沟CCD器件,开展不同偏置条件下的γ射线和质子辐照试验,获得了CCD的暗电流、光谱响应等辐射敏感参数的电离总剂量效应,位移损伤效应退化规律以及辐照偏置对CCD辐射效应的影响机制。研究表明,γ射线辐照下CCD的偏置产生重要影响,质子辐照下没有明显的偏置效应。根据CCD结构和辐照后的退火试验结果,对CCD的辐射效应损伤机理进行分析。
    9  SiGe HBT单粒子效应关键影响因素数值仿真
    张晋新,郭红霞,吕玲,王信,潘霄宇
    2022, 20(9):869-876. DOI: 10.11805/TKYDA2021439
    [摘要](32) [HTML](28) [PDF 2.96 M](2175)
    摘要:
    针对锗硅异质结双极晶体管(SiGe HBT),采用半导体三维器件数值仿真工具,建立单粒子效应三维损伤模型,研究SiGe HBT单粒子效应的损伤机理,以及空间极端环境与器件不同工作模式耦合作用下的单粒子效应关键影响因素。分析比较不同条件下离子入射器件后,各端口瞬态电流的变化情况,仿真实验结果表明,不同工作电压下,器件处于不同极端温度、不同离子辐射环境,其单粒子瞬态的损伤程度有所不同,这与器件内部在不同环境下的载流子电离情况有关。
    10  H2和H2O对双极器件抗辐射性能的影响规律和机制
    马武英,缑石龙,郭红霞,姚志斌,何宝平,王祖军,盛江坤
    2022, 20(9):897-902. DOI: 10.11805/TKYDA2022003
    [摘要](35) [HTML](40) [PDF 2.17 M](2086)
    摘要:
    为了深入研究H2和H2O进入氧化层后对双极器件辐射效应的影响机制,以栅控双极晶体管为研究载体,分别开展了不同浓度H2浸泡中的辐照试验和温湿度试验后的总剂量辐照试验。试验结果表明,随着氢气浸泡浓度的增加,器件的抗辐射能力逐渐降低;而温湿度试验后,由于水汽的进入,器件在随后的辐照试验过程中辐射损伤呈增大趋势。在此基础上,利用栅控栅扫描法进行氧化层辐射感生缺陷的定量分离,发现H2和H2O进入器件氧化层后,均会造成辐射感生界面陷阱电荷Nit的增加,并在一定程度上降低辐射感生氧化物陷阱电荷Not的量,结合理论分析进一步给出了H2和H2O造成器件损伤增强的潜在机制。研究成果对于辐射环境用电子系统的抗辐射性能评价和应用具有参考意义。
    11  浮栅器件的单粒子翻转效应
    琚安安,郭红霞,丁李利,刘建成,张凤祁,张鸿,柳奕天,顾朝桥,刘晔,冯亚辉
    2022, 20(9):877-883. DOI: 10.11805/TKYDA2021440
    [摘要](73) [HTML](31) [PDF 2.86 M](2052)
    摘要:
    基于中国原子能科学研究院的HI-13加速器,利用不同线性能量传输(LET)值的重离子束流对4款来自不同厂家的90 nm特征尺寸NOR型Flash存储器进行了重离子单粒子效应试验研究,对这些器件的单粒子翻转(SEU)效应进行了评估。试验中分别对这些器件进行了静态和动态测试,得到了它们在不同LET值下的SEU截面。结果表明高容量器件的SEU截面略大于低容量的器件;是否加偏置对器件的翻转截面几乎无影响;两款国产替代器件的SEU截面比国外商用器件高。国产替代器件SEU效应的LET阈值在12.9 MeV·cm2/mg附近,而国外商用器件SEU效应的LET阈值处于12.9~32.5 MeV·cm2/mg之间。此外,针对单粒子和总剂量效应对试验器件的协同作用也开展了试验研究,试验结果表明总剂量累积会增加Flash存储器的SEU效应敏感性,分析认为总剂量效应产生的电离作用导致了浮栅上结构中的电子丢失和晶体管阈值电压的漂移,在总剂量效应作用的基础上SEU更容易发生。
    12  环境温度对SiC MOSFET的总剂量辐射效应影响
    蒲晓娟,冯皓楠,梁晓雯,魏莹,余学峰,郭旗
    2022, 20(9):908-914. DOI: 10.11805/TKYDA2022008
    [摘要](85) [HTML](20) [PDF 2.18 M](2121)
    摘要:
    开展不同温度下碳化硅(SiC)金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)总剂量效应研究。采用60Coγ射线对三款国内外生产的SiC MOSFET器件进行总剂量辐照试验,获得器件阈值电压、击穿电压、导通电阻、漏电流等参数分别在25 ℃,100 ℃,175 ℃下的辐射损伤特性,比较器件在不同温度下辐照后器件的退化程度。仿真实验结果表明,不同器件的阈值电压、静态漏电流以及亚阈特性等辐射损伤变化都表现出对环境温度的敏感性,而导通电阻、击穿电压等则相对不敏感。此外SiC MOSFET总剂量辐射响应特性对环境温度的敏感性,还随生产厂家的不同而呈现明显差异性。分析认为,在其他条件相同情况下,器件的阈值电压、静态漏电等参数的退化程度随着辐照温度的升高而降低,主要是由于高温辐照时器件发生隧穿退火效应引起。
    13  HEMT器件质子辐射效应仿真
    马毛旦,曹艳荣,吕航航,王志恒,任晨,张龙涛,吕玲,郑雪峰,马晓华
    2022, 20(9):922-926. DOI: 10.11805/TKYDA2022010
    [摘要](93) [HTML](345) [PDF 2.20 M](2162)
    摘要:
    GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)器件具有抗高频、耐高温、大功率、抗辐射等特性,在核反应堆、宇宙探测等辐射环境中具有广阔的应用前景。借助SRIM软件仿真1.8 MeV质子辐射对不同AlGaN势垒层纵向尺寸下的常规耗尽型器件内部产生空位密度的影响,并观察空位密度随深度的变化规律。在最优AlGaN势垒层厚度条件下,通过仿真对比5种不同栅氧层材料的MIS-HEMT器件,发现氮化铝(AlN)栅氧层材料具有相对较好的抗辐射效果。
    14  SiC JBS二极管和SiC MOSFET的空间辐照效应及机理
    张鸿,郭红霞,顾朝桥,柳奕天,张凤祁,潘霄宇,琚安安,刘晔,冯亚辉
    2022, 20(9):884-896. DOI: 10.11805/TKYDA2021444
    [摘要](480) [HTML](45) [PDF 6.27 M](2294)
    摘要:
    基于第六代650 V 碳化硅结型肖特基二极管(SiC JBS Diode)和第三代900 V 碳化硅场效应晶体管(SiC MOSFET),开展SiC功率器件的单粒子效应、总剂量效应和位移损伤效应研究。20~80 MeV质子单粒子效应实验中,SiC功率器件发生单粒子烧毁(SEB)时伴随着波浪形脉冲电流的产生,辐照后SEB器件的击穿特性完全丧失。SiC功率器件发生SEB时的累积质子注量随偏置电压的增大而减小。利用计算机辅助设计工具(TCAD)开展SiC MOSFET的单粒子效应仿真,结果表明,重离子从源极入射器件时,具有更短的SEB发生时间和更低的SEB阈值电压。栅-源拐角和衬底-外延层交界处为SiC MOSFET的SEB敏感区域,强电场强度和高电流密度的同时存在导致敏感区域产生过高的晶格温度。SiC MOSFET在栅压偏置(UGS=3 V,UDS=0 V)下开展钴源总剂量效应实验,相比于漏压偏置(UGS=0 V,UDS=300 V)和零压偏置(UGS=UDS=0 V),出现更严重的电学性能退化。利用中带电压法分析发现,栅极偏置下氧化层内的垂直电场提升了陷阱电荷的生成率,加剧了阈值电压的退化。中子位移损伤会导致SiC JBS二极管的正向电流和反向电流减小。在漏极偏置下进行中子位移损伤效应实验,SiC MOSFET的电学性能退化最严重。该研究为空间用SiC器件的辐射效应机理及抗辐射加固研究提供了一定的参考和支撑。

    当期目录


    年第卷第

    文章目录

    过刊浏览

    年份

    刊期

    浏览排行

    引用排行

    下载排行