基于新型双极测试结构的低剂量率辐照感生缺陷研究

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1、申请博士学位论文基于新型双极测试结构的低剂量率辐照感生缺陷研究研究生：席善斌(2008级)导师：任迪远研究员陆妩研究员专业：微电子学与固体电子学中国科学院新疆理化技术研究所嗍Y帆ji2

2、j哪．3Ⅲ7删眦0帆0删4帅1唧ByXiShanbinADissertatio—ThesisSubmittedtoTheUniversityofChineseAcademyofSciencesInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofEngineeringXinjiangTechnicalInstitute

3、ofPhysicsandChemistry,CASMay,2013独创性声明本人声明所呈交的学位论文是在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国科学院新疆理化技术研究所或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权说明本学位论文作者完全了解中国科学院新疆理化技术研究所有关保留、使用学位论文的规定。特授权中国科学院新疆理化技术研究所可以将

4、学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编，以供查阅和借阅。同意研究所向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。(保密的论文在解密后应遵循此规定)学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月Et签字日期：年月日摘要随着空间科学技术的快速发展，越来越多的半导体器件及集成电路工作于空间复杂而又苛刻的辐射环境中。受电离辐射作用影响，器件参数会产生不同程度的退化，给宇航系统可靠性带来严重隐患，这使得研究半导体器件空间辐射效应及其潜在的损伤机理逐渐成为近年来国内外微电子学领域的一个热门课题。由于具有高频、低阻、低噪声和良好的

5、线性度，双极器件和电路被广泛应用于空间系统电路中。但是低剂量率辐射损伤增强效应的存在，严重威胁了航天器电子系统的稳定性和可靠性，大大缩短了其使用寿命，因而受到广泛关注。近年来，国际上投入了大量人力、物力进行了有关双极器件和电路的低剂量率辐射损伤增强效应研究，不仅包括不同偏置、不同剂量率辐照、不同器件类型、不同工艺参数等对器件或电路辐照效应的影响，还开展了各种条件下的加速评估方法研究。虽然研究工作不断深入，但是由于双极晶体管结构及制造工艺均不同于MOS场效应晶体管，受辐照感生电荷分离方法限制，获得的低剂量率辐射损伤失效机理模型，只能定性地描述器件宏观参数变化，对氧

6、化物陷阱电荷和界面陷阱电荷引起器件参数退化和功能失效的潜在原因并不明朗，从而制约了双极器件抗辐射加固技术的发展。本文基于Silvaco的半导体工艺和器件的计算机模拟，在国内首次成功研制了可用于辐照实验和电荷分离的、不同工艺参数栅控横向PNP双极晶体管、栅控衬底PNP双极晶体管、栅控横向NPN双极晶体管、栅控纵向NPN双极晶体管以及栅控二极管结构，分析了栅控晶体管在不同外加栅极电压情况下所处的几种状态，测试了栅控晶体管的常规特性、栅扫描特性以及亚阈扫描特性。借鉴金属．氧化物．半导体场效应晶体管辐照感生缺陷测试原理，成功建立了两种双极器件辐射感生缺陷的测试分析方法—

7、—中带电压法和栅扫描法，并定量分离了晶体管辐照感生氧化物陷阱电荷和界面陷阱电荷，从而将晶体管宏观参数退化和辐照感生的微观缺陷联系起来，研究晶体管高、低剂量率辐照及退火过程中的辐照、退火效应及其潜在的失效机理。不仅对栅控横向PNP双极晶体辐照感生缺陷进行了定量分离，还首次成功地对栅控横向NPN和纵向NPN双极晶体管的辐照感生缺陷进行了定量分离，使T摘要双极器件辐照感生缺陷定量分离研究获得突破性进展。在对各种栅控测试结构辐射感生缺陷定量分离的基础上，基于空间电荷模型，验证了竞争模型，完善了双极器件低剂量率辐射损伤增强效应的物理机制。此外，研究了晶体管不同剂量率辐照响

8、应规律，以及外加栅极电压对双极晶体管电离辐照的影响，分析了基极电流峰值展宽效应。本文为研究国产双极器件抗低剂量率辐射损伤提供了一种新的分析方法和测试手段，为完善已提出的空间电荷模型，发展竞争模型提供了理论依据，也为国产抗辐射加固器件的研制和生产提供了方法指导。关键词：低剂量率辐射损伤增强效应；栅控晶体管；电荷分离；损伤机理；竞争模型IIAbstractWimtherapiddevelopmentofspacescienceandtechnology,moreandmoresemiconductordevicesandICswillbeworkedincompli

9、catedandhars