Диссертация (1137280), страница 8
Текст из файла (страница 8)
Для определения эквивалентного потока нейтроновиспользуется следующее выражение: n K ср p(2.18)где: K cp cn ( E ) / cp ( E ) ; δcn(E), δcp(E) – удельная поглощенная доза для нейтронногои протонного излучения в зависимости от энергии (см. рис. 2.28).Рис. 2.28. Удельная поглощенная доза в Si для нейтронного и протонногоизлучения для разных энергий частиц [66]Для определения эквивалентной дозы гамма-излучения используется следующеевыражение:D p ip ( E ) p ,(2.19)где: δip (Е) – удельная поглощенная доза в расчете на один протон (см.
рис. 2.29).Моделирование влияния протонного излучения на характеристики биполярныхтранзисторов начинается с задания уровня поглощенной дозы от воздействия протонного излучения с определенной энергией, после чего происходит расчет эквивалентногопотока нейтронов и эквивалентной дозы гамма-излучения. При этом нужно учитыватьвклад нейтронного излучения в суммарную поглощенную дозу. На следующем шагепроисходит расчет значения скорости поверхностной рекомбинации для данной поглощенной дозы для модели гамма-излучения. Далее проводится электрофизическое моде-52лирование структуры Si БТ и SiGe ГБТ с учетом структурных и ионизационных эффектов.Рис.
2.29. Удельная поглощенная доза в Si для альфа-частиц (1), протонов (2),электронов (3), нейтронов (4) и фотонов (5) с разной энергией [67]Стоит отметить, что такой подход позволяет проводить исследования влияния отдельно структурных дефектов и отдельно ионизационных эффектов на электрическиехарактеристики Si БТ и SiGe ГБТ.На рис. 2.30 приведены 2D и 1D распределения темпа рекомбинации в структуреSiGe ГБТ при воздействии протонного излучения. Из рисунка видно, что после воздействия флюенса нейтронов Фn = 6·1013 см–2 существенно возрастает темп рекомбинации вбазе транзистора, что является следствием структурных повреждений.53а)б)Рис.
2.30. 2D (а) и 1D (сечение при X = 0.0 мкм) (б) распределение темпарекомбинации для SiGe ГБТ после облучения протонами (структурныеповреждения)На рис. 2.31 – 2.33 представлены изменения в структуре SiGe ГБТ при воздействии протонного излучения, вызванные ионизационными эффектами, а именно 2D распределения концентрации ловушек на границе раздела Si/SiO2 (см.
рис. 2.31), пространственного заряда (см. рис. 2.33) и концентрации заряда в SiO2 (см. рис. 2.32).Из рис. 2.31 видно, что при увеличении поглощенной дозы увеличивается концентрация ловушек на границе Si/SiO2, что является одним из факторов влияния ионизирующей составляющей, которая влияет на перераспределение носителей в объеме полупроводника (см. рис. 2.33).Другим фактором ионизирующей составляющей является накопление положительного заряда в SiO2. В таблице 2.1 приведены значения максимального уровня концентрации заряда в оксиде.54Таблица 2.1. Концентрации положительного заряда в SiO2 структуры SiGe ГБТпосле облучения протонами (ионизационные эффекты)Суммарная поглощенная доза, рад01·10Концентрации положительного заряда в SiO2Qox_MAX, см–305,5·1061710·101,6·10Рис. 2.31.
2D распределение концентрации ловушекна границе раздела Si/SiO2 для SiGe ГБТ после облучения протонами(ионизационные эффекты)61855Рис. 2.32. 2D распределение концентрации положительного заряда в SiO2структуры SiGe ГБТ после облучения протонами (ионизационные эффекты)Рис. 2.33. 2D распределение пространственного заряда для SiGe ГБТ послеоблучения протонами (ионизационные эффекты)Третьим фактором, обусловленным действием ионизирующей составляющей, является увеличении скорости поверхностной рекомбинации при увеличении уровня по-56глощенной дозы, что влияет на темп поверхностной рекомбинации (см. рис.
2.34) и приводит к увеличению рекомбинационного тока базы.Рис. 2.34. 2D распределение темпа поверхностной рекомбинации для SiGe ГБТпосле облучения протонами (ионизационные эффекты)В таблице 2.2 приведены максимальные значения темпа поверхностной рекомбинации при разных поглощенных дозах при воздействии протонного излучения.Таблица 2.2.
Темп поверхностной рекомбинации в структуре SiGe ГБТ послеоблучения протонами (ионизационные эффекты)Суммарная поглощенная доза,радТемп поверхностной рекомбинации в SiO2So_MAX, см–2·c–1601·1006,6·102310·109,4·10623В связи со сложностью проведения испытаний на протонных ускорителях сравнение результатов моделирования ВАХ SiGe ГБТ с экспериментом проводилось с использованием данных, полученных из зарубежной литературы.Для исследования радиационной стойкости к протонному воздействию был выбран SiGe ГБТ, изготовленный по 0,18 мкм БиКМОП технологии 7HP с β = 250,fT = 120 ГГц, fmax = 100 ГГц.
Структура SiGe ГБТ приведена на рис. 2.35 [68].57Рис. 2.35. Структура SiGe ГБТ IBM [68]На первом этапе проводилось моделирование 2D-структуры SiGe ГБТ в SynopsysSentaurus, а также расчет и сравнение результатов моделирования статических ВАХ длянеоблученного транзистора с экспериментальными данными. На следующем этапе проводилось сравнение смоделированных и экспериментальных данных после воздействияпротонного излучения с разными интегральными потоками.Сравнение экспериментальных данных и результатов моделирования представлено на рис. 2.36, на котором приведены характеристики Гуммеля (a) и коэффициент усиления по току (б) до и после воздействия потоков протонов 1·1012 см–2, 7·1012 см–2,2·1013 см–2, 5·1013 см–2 с энергией 63,3 МэВ [68].а)б)Рис. 2.36. Сравнение смоделированных (линии) и экспериментальных данных(точки) [68] характеристик Гуммеля (а) и коэффициента усиления по току (б)SiGe ГБТ до и после воздействия протонного излучения с интегральнымипотоками 1·1012 см–2, 7·1012 см–2, 2·1013 см–2, 5·1013 см–258Для исследования влияния протонного излучения на характеристики SiGe ГБТбыла определена разница ΔJб между плотностями тока базы при напряжении Uбэ = 0,7 Вдо Jб_0 и после Jб_рад облучения протонами.
На рис. 2.37 показано сравнение экспериментального и смоделированного ΔJб, а также его ионизационной и структурной составляющих.При этом для более точного моделирования параметры улучшенной модели (2.15)– (2.16) были уточнены по экспериментальным данным для структур SiGe ГБТ (см. таблицу 2.3 и 2.4).Таблица 2.3. Коэффициенты Kτn для n-типа материала (2.15)Коэффициент Kτna, см2/сb, см2/сc, см2/сdДля SiGe ГБТ [65]3,1·10–79,0·10–81,0·10–55,0·10–5Для Si БТ [64]1,8·10–78,8·10–84,0·10–74,5·10–5для n-типа материалаТаблица 2.4. Коэффициенты Kτp для p-типа материала (2.16)Коэффициент Kτpe, см2/сf, см2/сm, см2/сДля SiGe ГБТ [65]3,10·10–71,05·10–84,12·1012Для Si БТ [64]1,80·10–77,05·10–94,12·1012для n-типа материалаРис.
2.37. Радиационно-индуцированная плотность тока базы SiGe ГБТ послевоздействия протонного излучения59Как видно из рис. 2.37, увеличение ΔJб после облучения протонами при низкихзначениях интегрального потока нейтронов в основном определяется ионизационнымиэффектами. Структурные дефекты вносят соизмеримый с ионизационными эффектамивклад в увеличение ΔJб при высоких значениях интегральных протоков протонов.Пригодность разработанной модели для учета радиационного воздействия наSiGe ГБТ с высокой ~200 МэВ и низкой менее 2,0 МэВ энергией протонов была проведена на приборе компании IBM, изготовленном по технологии 5HP с характерными параметрами: ширина эмиттера We = 0,42 мкм, коэффициент усиления β = 110, граничнаячастота fT = 50 ГГц, максимальная частота fmax = 90 ГГц.Сравнение результатов моделирования ВАХ, полученных с использованием моделей учета радиационных эффектов от действия протонного излучения, и данных эксперимента, полученные из работы [69], приведено на рис.
2.38, 2.39, 2.41, 2.42. Нарис. 2.38 приведено сравнение характеристик Гуммеля SiGe ГБТ до и после воздействияпротонов с энергий 198 МэВ. Точками на графике изображены экспериментальные данные, сплошной линией результаты моделирования до облучения и пунктирной линиейрезультаты моделирования с учетом радиационного воздействия потоком протонов5∙1013 пр./см2.Рис. 2.38. Характеристика Гуммеля SiGe ГБТ до и после об лучения протонамис энергией 198 МэВ60На рис. 2.39 приведено сравнение экспериментальных и смоделированных характеристик Гуммеля SiGe ГБТ до и после воздействия протонов с энергией 1,75 МэВ. Точками также указаны экспериментальные данные, полученные из работы [69].
А сплошной и пунктирной линией изображены результаты моделирования до и после облучениядля разных значений потока протонов, соответственно.Рис. 2.39. ВАХ SiGe ГБТ до и после об лучения протонами с энергией 1,75 МэВКак видно из рис. 2.38 и 2.39, более сильное изменение тока базы происходит приоблучении потоком протонов с малой энергией. Это связано с тем, что при уменьшенииэнергии протона возрастает сечение взаимодействия, что приводит к увеличению образования дефектов и эффективности ионизации, что и приводит к более сильной деградации характеристик транзистора [70].На рис. 2.41 приведены зависимости коэффициента усиления от плотности токаколлектора. На рис. 2.41, (а) представлено сравнение результатов моделирования и экспериментальные данные после воздействия протонов с высокой энергией для разныхпотоков, а на рис. 2.41, (б) для случая воздействия низкоэнергичными протонами.61Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
