SiGe HBT电子辐照效应的退火研究.docx

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SiGeHBT电子辐照效应的退火研究

SiGeHBT器件电子辐照的退火效应研究

学生：

XXX指导教师：

XXX

摘要

本文主要研究对SiGeHBT器件进行电子辐照后的退火效应。

对于双极型晶体管，电流增益是其电性能参数中的关键参数，电流增益的衰减是双极型晶体管最显著同时也是最典型的辐射损伤效应。

通过电子静电加速器对器件进行电子辐照，电流增益随着辐照剂量的增加而减小。

在辐照试验完成后，对SiGeHBT器件进行室温退火,通过测试器件的输出特性来研究电流增益随退火时间的变化规律。

退火实验结果表明，SiGeHBT器件电性能随着退火时间的增加而逐渐恢复。

关键词SiGeHBT电子辐照电流增益退火效应

AnnealingeffectofelectronirradiationontheSiGeHBTdevices

ProfessionalMicroelectronics

Student:

XXXXXXAdviser:

XXXX

Abstract

ThispaperstudiestheeffectofannealingSiGeHBTdevicesafterelectronirradiation.Forthebipolartransistor,theelectricalpropertiesofthecurrentgainparameterisakeyparameter,thecurrentgainofthebipolartransistorisattenuatedsignificantlybutalsothemosttypicalradiationdamageeffects.Electronicdeviceselectrostaticacceleratorforelectronirradiation,thecurrentgainwithincreasingradiationdoseincreases.AftercompletionofthetestirradiationofSiGeHBTdevicesatroomtemperatureannealing,theoutputcharacteristicsofthetestdevicetostudythecurrentgainvariationwithannealingtime.Experimentalresultsshowthattheannealing,SiGeHBTdeviceelectricalperformancewithincreasingannealingtimeandgraduallyrestored.

KeywordSiGeHBT;Electronirradiation;CurrentGain;Annealingeffect

目录

摘要1

Abstract2

第一章绪论4

1.1课题背景和意义4

1.2SiGeHBT技术发展及优势4

第二章实验原理5

2.1空间辐射环境5

2.2辐照损伤原理6

2.3电子辐照退火效应机理7

第三章实验器件及试验方法8

3.1试验器件8

3.2辐照实验和试验方法10

第四章实验数据分析与讨论10

4.1实验数据分析10

4.2实验结果讨论17

结论18

参考文献18

致谢19

第一章绪论

1.1课题背景和意义

随着现代通信业的巨大发展，人们对于低成本，高性能与高集成度的制备工艺需求很强烈，使得市场对于高性能射频和微波器件的这种具有上述优点的制备技术的强烈需求，设计与射频芯片相关的技术就显得非常迫切的[6]。

当前材料射频/微波元件主要是砷化镓为基础的，其次是硅锗。

然后，为了从相同的功率增益上来看，CMOS的功耗是很大的，和GaAs的转换效率相对较高;然而SiGe技术与Si工艺具有着极高兼容性[3]。

但在硅技术中的技术或制造设备的制备方法上，其产量方面远远优于GaAs技术。

GaAs材料具有非常高的工作频率，并且功耗低以及性能稳定。

但是GaAs材料不仅价格很高，而且生产的设备又不同于成熟的Si工艺设备，使得其成本要远远高于Si器件。

而SiGe技术则兼有GaAs高频，低功耗和Si材料低成本的优点。

我们从材料的特性来看的话，SiGe高频特性良好，材料安全性也很好[7]；从性能上来说的话，SiGe也具有功耗小、截止频率高的优点；而同时由于与成熟的硅工艺兼容，其集成度也相当的高。

由于在无线通信领域的极大优势，现在的SiGe技术主要应用的产品有移动电话和无线网络等[3]。

由于现在人们对于智能手机需求量巨大，以及其更新换代的周期极短，使得SiGe技术应用前景广阔，因此这是一个极大的市场。

现在市场上的SiGe种类不多，数量也很少，但由于其应用趋势我们可以推断其未来必有非常大的发展空间。

目前的SiGe技术除了HBT外，还包括HEFT（HeterojunctionFieldEffectTransistor），QuantumWells以及Optoelectronics等，而SiGeHBT由于可以广泛的应用于无线通信和光纤通信上，如今已成为市场的主流工艺技术。

1.2SiGeHBT技术发展及优势

Kroemer在上个世纪中期就提出了一种HBT技术，采用宽禁带材料作发射区[6],这样就可以在很大程度上提高频率性能。

但由于当时的实验条件有着很大的不足和缺陷，使得他的理论被搁置了很久也未能制作出HBT[7]。

一直到了上个世纪后期，IBM公司的Iyer重新发现这种技术，才成功的制造了全球第一个SiGeHBT（锗硅异质结双极晶体管），从那以后，就使得SiGe材料在各个领域都有了长足的发展，并且发展迅速。

SiGeHBT与传统的SiBJT相比，前者以SiGe层作为基区，由于Ge原子在Si中的引入，使得基区禁带宽度变窄，从而导致SiGeHBT禁带结构发生变化，所以，SiGeHBT具有很多优于SiBJT的优点：

（1）SiGeHBT中SiGe层电子迁移率是SiBJT中基区电子迁移率的2倍，从而极大提高了器件的工作效率；

（2）温度的适应范围更宽，可以实现稳定的工作特征，这样就有利于低噪声和RF前端电路的设计与应用；（3）可通过降低器件SiGe基区的电阻，从而实现更高的直流增益以及更低的噪声系数；（4）可以和传统的成熟Si工艺技术兼容，它具备了Si技术成熟的工艺基础、较大的晶圆片以及产量高的特点，因而与III-IV族化合物半导体技术（如GaAsHBT技术）相比具有相对较低的成本；同时又具有III-IV族化合物半导体技术高频率、低温特性好以及低噪声的特点。

SiGeHBT技术的特征频率和最高振荡频率都做到了200GHz以上，展示了其在射频和无线通信应用领域的广阔的应用前景；（5）SiGeHBT与GaAsHBT器件相比具有价格上的很大优势，约低30%，仅比SiBJT高约10%-30%；（6）SiGeHBT在低泄漏电流和热传导方面有着很多优异的特性，前者有利于实现片上标准和电功率管理等逻辑功能在内的模拟和数字混合电路的设计，后者有利于功率放大器的设计。

所以，SiGeHBT最适合于制作低噪声放大器、功率放大器等，如IBM公司的SiGeHBT线性放大器、解调器、混频器、振荡器、接收器、发射器和倍增器等，广泛应用于无线和有线通信系统。

在现在科研项目中，人们对于在太空辐射环境中的探索变得更加频繁，对于在空间中运行的各种设备，空间辐射环境会对在太空中的设备产生辐射，从而使得设备的性能发生变化，影响空间设备的正常运行，因此对于空间仪器抗辐射的研究就显得很重要，从而能够更好地将其运用于太空中，从而降低设备的损耗，让空间设备发挥最好的效益。

因此对于空间设备来说，抗辐照能力就要有着很高的要求。

因此，对于SiGeHBT器件的以下优点：

高频、低噪声、抗辐射性能好、与硅工艺兼容[3],就使得其能够更多的应用于各种辐射环境中,增加空间设备的抗辐射能力，从而以最小的辐射损伤来获得设备的最大收益，例如可以应用于核反应堆、卫星、空间站等具有辐射的环境中。

第二章实验原理

2.1空间辐射环境

空间辐射环境中，带电粒子会对空间设备造成不同种类的损伤效应，根据辐射损伤的不同，可以将其分为电离辐射效应、位移辐射效应以及单粒子效应等[8-12]。

这些辐射损伤效应会导致电子系统的异常或者失效，最终有可能导致整个航天器以及卫星的可靠性以及寿命的下降。

SiGeHBT作为航天器及卫星电子系统的一部分，在其中扮演着重要的角色。

SiGeHBT具有较好的电流驱动能力、线性度、低噪声以及优良的匹配特性。

因此对其进行辐射效应的研究具有很重要的意义。

对于太空中运行的各种空间设备，是不可避免的会遭受各种类型的辐射环境，造成辐射的环境主要有以下三个：

（1）地球辐射带质子和电子；

（2）太阳宇宙线的重离子和质子；（3）银河宇宙线的质子及重离子[3]。

地球辐射带（又称范艾伦带）是指在近地空间被地磁场捕获的高强度带电离子区域，通常我们称之为地磁捕获辐射带。

地球辐射带内部的带电粒子环境十分复杂，主要为能量范围在0.004MeV到7.0MeV的电子和能量范围在0.1MeV到400MeV的质子。

内辐射带在赤道平面的高度大约在600km到10000km左右，主要是由质子和电子组成。

能量高于30MeV的质子主要是在0.5个地球半径高度以下。

外辐射带的空间范围则延伸很广，在赤道平面高度大约从10000km一直延伸到60000km，主要是由质子和电子组成。

在外辐射带中电子的最高能量可以达到7MeV，而在内辐射带中电子的最高能量为5MeV。

在较短的时间以及某一特定的区域内，太阳活动强度的波动变化会很大。

一般认为，产生这种波动的主要因素是由于太阳本身各部分自转速度的不同从而导致太阳巨大磁场的畸变所引起的。

耀斑是指太阳大气产生高度集中的能量爆发，并且会伴随着大量的粒子以及电磁辐射。

通常，将太阳爆发称之为太阳事件。

大的太阳事件和太阳的活动周期有关。

在太阳高年，无论是太阳事件发生的概率还是频率都要比在太阳低年时大得多。

太阳事件通常很难预测，只能通过统计学规律来给出。

太阳事件所发出的粒子数量，在开始时会迅速增加，随后就慢慢减弱。

太阳宇宙线中的粒子绝大部分为质子，常称为太阳质子事件。

除了质子还有电子、氦核（约3%到15%）以及少量的重核离子。

每一次太阳爆发所产生的太阳宇宙线的通量、成分及能谱都是不完全相同的，这具有很大的随机性。

银河宇宙线也称为银河宇宙射线，是航天器所受的重要辐射源之一。

银河宇宙射线辐射的主要成分中85%为质子，14%为α粒子以及1%的重离子。

银河宇宙射线具有极强的贯穿能力。

银河宇宙线的能量范围一般是在40MeV至1013MeV，甚至有可能会更高。

银河宇宙线的粒子通量随着能量的提高明显的降低。

并且在高能区域，银河宇宙线粒子通量的增加几乎是呈直线下降。

太阳活动高年时，由于银河宇宙线与太阳风的相向运动，使得其受到太阳风的阻止作用，从而使其通量随太阳活动增强而会降低，银河宇宙线的通量也会有所下降；同样的原因，在太阳活动低年时，银河宇宙线的通量则会升高。

2.2辐照损伤原理

目前国内对HBT辐照的损伤机理仍在探索阶段，对SiGeHBT器件的辐照研究更是很少。

SiGeHBT器件在中子辐照、电子辐照、Gamma辐照以及瞬时电子辐照效应在国外已经进行了很多的报道。

AveekSarkar认为SiGeHBT性能的衰减是由于电子辐照对器件体内引入的位移损伤在BE结内空间电荷区内产生额外的复合；SoujanyaVuppala则认为器件性能衰减的原因分为两部分：

在低剂量时，电离损伤起主要作用；而在高剂量时，位移损伤的作用就变成主导，并认为1MeV电子辐照所造成的位移损伤能量不足以引起残余电压的变化；而AlexeiShatalov却认为电子辐照对器件所造成的电离损伤不是其性能衰减的主要因素。

电子辐照对器件主要产生电离损伤和位移损伤，从而使得器件的性能发生了变化，因此，有必要对电离损伤和位移损伤进行必要的研究。

电离损伤效应在微观上是产生了电子-空穴对，是半导体材料中诱发各种缺陷的基本条件。

一般电子-空穴对的产生要经过两步进行：

（1）入射带电粒子将能量传递给从原子核初次撞出的电子，该过程主要造成入射粒子的能量损失或者LTE（线性能量传递）；

（2）初次电子在靶材内通过不同的方式造成能量沉积，包括声子、热激发和电子-空穴对。

电离效应分为累积的电离效应和瞬时电离效应。

电离效应在半导体和绝缘体中更易发生。

除以上两种情况以外，电离效应还涉及到低剂量率增强效应。

在不同的辐照剂量条件下，器件产生的电离效应也是不同的。

而双极型晶体管大多采用SiO2层来保护半导体器件表面，因此就形成了SiO2/Si界面。

电离损伤会在SiO2/Si界面产生界面态和在氧化物层内产生俘获正电荷。

界面态和俘获正电荷均使得载流子表面复合速率增加，从而导致少数载流子寿命的降低，使双极型器件漏电流以及电流增益衰减增加。

带电粒子与靶材原子核发生库伦相互作用时，就会改变其运动速度与方向。

在这个过程中不会辐射光量子，也不会激发原子核，碰撞前后的动量保持守恒以及总动能守恒；入射带电粒子损失能量，靶材原子核反冲。

入射带电粒子可以多次与靶材原子核发生弹性碰撞，造成能量的逐渐损失。

同时反冲的靶原子核如果获得的能量较高，也可以与其他原子核碰撞。

上述级联碰撞过程可能成为造成靶材物质辐射损伤的重要原因。

从靶材物质对入射带电粒子的阻止作用角度，这种作用过程称为“核阻止”，会造成位移损伤。

位移损伤则是由于入射粒子（例如质子、中子、重离子及高能电子）在半导体原子点阵与半导体材料中发生的散射作用而产生的。

当发生碰撞时，入射粒子就会取代了点阵上的一个原子，同时撞出的初级靶材原子会发生级联效应。

对于重离子和质子，能量的传递通常是通过与靶材原子核的库伦作用实现的。

当入射粒子的能量很低时，从重离子或质子传递给碰撞粒子的能量最多，产生的位移损伤程度最大，并且这种情况通常发生在入射粒子射程的末端。

位移损伤的直接结果是在半导体中产生空穴缺陷和间隙原子。

与电离损伤主要影响电路中的界面和氧化物不同，位移损伤则会影响半导体点阵的完整性，在半导体中产生空穴和间隙原子等缺陷。

所涉及的细节比较复杂，因为空穴和间隙原子会发生动态变化的，可以复合、移动或者产生稳态缺陷。

这些缺陷最终会造成半导体内形成复合中心或者陷阱，最直接的影响就是减少了少数载流子在半导体中的寿命。

当位移损伤比较严重时，还会产生其他的效应，例如施主和受主的补偿和载流子迁移率的下降。

位移损伤效应可以改变很多种半导体器件的光学和电学性能。

2.3电子辐照退火效应机理

对辐照后的器件进行电学参数的测试，可以发现器件的性能能够逐渐地恢复，但是很难恢复到初始的状态，因此，人们就把这种现象称之为退火效应。

无论在辐照完成前后，退火效应一直都是存在的，退火效应和很多的因素紧密相关的，如时间，温度等。

退火的原因通常是由于器件的内部产生的界面态或者是复合中心产生的，对于界面态来说,退火效应就是界面态逐渐恢复的过程,从而使得器件的性能逐渐恢；而复合中心就是由于电离辐射使得器件内部产生了多余的陷阱,这些不稳定的复合中心逐渐减少,从而使得器件的性能逐渐恢复的过程就称之为退火效应。

对于目前的研究的退火效果主要是采用两种方法：

等温退火和等时退火，然后测量晶体管的电性能。

本试验研究退火效应是在室温下，分别对硅锗HBT器件进行退火一定的时间，然后在一定时间间隔的时间之后，测量辐照后的电性能参数。

当一定能量的电子辐照晶体管时会在晶体管的Si表面SiO2介质上沉淀能量。

如果沉积的能量大于SiO2介质的禁带宽度时,一些被束缚的电子就会从价带激发到导带上，在SiO2中产生电子-空穴对。

电离辐射还会在SiO2/Si的界面处产生随机分布的3价硅原子，这样就会破坏了硅晶格势场的周期性，将硅导带与价带中的部分能态扰动至禁带中，在界面处引入了界面陷阱。

界面陷阱的带电状态与表面电位有关，如果表面电位使得界面处的费米能级低于本征费米能级，界面态就会带正电；高于本征费米能级，界面陷阱就会带负电。

电子辐照损伤的长期退火主要有两个部分：

一部分对于硅表面势的不敏感，为氧化层缺陷所俘获电荷的退火；另一部分则是对于硅的表面势敏感，为界面陷阱退火。

界面态发生退火的温度为100至200摄氏度，而氧化物陷阱电荷发生退火的温度是在150到300摄氏度。

其中，界面陷阱的退火与氢向Si/SiO2界面的运输过程有关，氢与界面的反应不仅可以增加，又可以消除界面陷阱，这就取决于氢的电荷态。

而无论在退火过程中界面陷阱的增加或者减少都取决于哪种机制占主导地位。

而氧化物陷阱电荷的退火则分为两种机制:

隧道效应及热激活。

在隧道效应的过程中，电子从硅底中进入到氧化层，在氧化层中中和被俘获的空穴。

并且所有的氧化物缺陷都可以在没有任何外加偏置的情况下，由氧化物价带中的电子的热激活而发生退火。

在室温情况下，隧道效应是退火的主导机制；在对于较高的温度，氧化物价带的电子的热激活就成为退火的主导机制。

因此，退火速度在开始时较快，但在一段时间后逐渐放缓，并且温度越高恢复速度越快。

第三章实验器件及试验方法

3.1试验器件

在本次的实验过程中,我们直接从市场上选择了一种未封装的SiGeHBT器件来进行试验,所以我们的实验样品就选用的是由TOSHIBA公司研发、型号为MT3S113TU的NPN外延平面型的SiGeHBT晶体管，目前这种型号的器件现在主要应用于VHF-UHF频带低噪声、低失真运算放大器中。

如图1和表1分别为我们所选用的SiGeHBT器件的规格参数和最大额定值。

从图1我们可以看到,和常规的NPN器件一样,SiGeHBT器件有三个管脚,按顺序排列分别为基极,发射极和集电极。

从表1我们可以了解到SiGeHBT器件的一些额定参数，如基极电流限制为10mA，集电极的电流为100mA等，在试验过程中我们需要注意这些额定最大参数的限制。

图1SiGeHBT规格参数

表1SiGeHBT的最大额定值

3.2辐照实验和试验方法

我们对所选择的SiGeHBT器件（型号为MT3S113TU）的辐照实验是在四川大学原子核科学技术研究所（720所）进行，实验前对器件进行了分组，按照辐照剂量，一共分了8组，分别为2×1013e-/cm2，1×1014e-/cm2，2×1014e-/cm2，4×1014e-/cm2，8×1014e-/cm2，2×1015e-/cm2，8×1015e-/cm2，8×1015e-/cm2。

采用2MeV的电子静电加速器对样品进行电子辐照，辐照条件为常温条件下，不加任何偏置，即晶体管的所有管脚悬空，电子束能量为1.5MeV,剂量率为

，总剂量范围从

到

。

对辐照前后的的器件进行参数的测试，采用的是安捷伦B1500A仪器和探针台测试仪进行测试，首先在辐照之前对各组器件进行测量，并记录各组实验数据；电子辐照完成后，对器件进行退火，在辐照之后的2、4、6、8小时分别对各组辐照不同剂量的器件进行测试，每次测试在30min内完成，忽略器件的参数在短时间内不会发生太大的差异。

本次试验测试的参数主要有：

输出特性曲线，正反向G-P图，晶体管发射极开路时BC结和集电极开路时BE结的I-V，C-V曲线。

第四章实验数据分析与讨论

4.1实验数据分析

在进行电子辐照实验前，对各组器件进行辐照之前的参数测试，对器件输出特性曲线的测试，并作出图像见图2所示。

然后通过对SiGeHBT器件（型号MT3S113TU）进行电子辐照实验，辐照剂量选择分别为2×1013e-/cm2，1×1014e-/cm2，2×1014e-/cm2，4×1014e-/cm2，8×1014e-/cm2，2×1015e-/cm2，8×1015e-/cm2，8×1015e-/cm2。

测试辐照前后以及对应不同辐射剂量的的输出特性曲线，BC结和EB结的输出曲线以及C-V曲线，再通过对SiGeHBT器件进行退火实验，退火时间分别为2h，4h，6h，8h。

然后再一次测试上述的数据。

SiGeHBT器件和常规SiBJT相比，前者是以SiGe层作为基区，由于Ge原子在Si中的引入，使得其基区禁带变窄，从而导致SiGeHBT的禁带结构发生了变化，从而使SiGeHBT有很多特性优于常规的SiBJT。

但是作为NPN结构的晶体管，SiGeHBT和常规NPN器件一样，有着相同参数。

电流增益是NPN器件重要的参数，同样对于SiGeHBT也是一样。

电流增益对SiGeHBT最重要且对电离辐射最敏感的参数。

如图3所示为SiGeHBT器件在电子辐照前的输出特性曲线。

其中Ib由下到上分别为0μA,20μA,40μA,60μA,80μA,100μA；发射极电压VE=0V；集电极电压VC扫描范围我们选择的为0至4V，扫描步长固定为0.16mV。

通过图1我们可以发现，和常规的NPN器件一样，SiGeHBT器件有着一样的输出特性曲线。

图2SiGeHBT器件辐照前的输出特性曲线

将SiGeHBT器件进行电子辐照后，对应于不同的电子辐照剂量，我们分别测试其数据输出特性曲线和其他数据。

如图3所示是对器件进行电子辐照后对应于不同剂量的输出特性曲线，其中Ib为40μA。

通过对比图2辐照前的数据，我们可以得出电子辐照使得SiGeHBT器件产生损伤，使得电流增益减小，并且随着辐照剂量的增加，电流增益不断减小，因此，辐照剂量的增加使得器件的损伤更加严重。

对辐照后的SiGeHBT器件进行BC结（发射极接地）和EB结（集电极接地）输出特性的测试，结果如图4和图5所示，分别为BC结和EB结的输出特性曲线，通过图4和图5再结合该器件的输出特性曲线，可以发现，基极电流Ib随着辐照剂量的增加而增加，而集电极电流Ic则几乎保持不变。

SiGeHBT器件的电流增益随着辐照剂量的增加而减小。

图3SiGeHBT器件在不同剂量的电子辐照下的输出特性曲线（其中Ib=40μA）

图4SiGeHBT器件BC结的正向I-V特性曲线

图5SiGeHBT器件EB结的正向I-V特性曲线

对SiGeHBT器件电子辐照后对其进行退火实验，退火时间分别为2h，4h，6h，8h。

如图6和图7所示的为SiGeHBT器件辐照剂量为8×1014e-/cm2时随退火时间变化的输出特性曲线，其中Ib=40μA。

由图我们可以看出，随着退火时间的增加，SiGeHBT器件的输出特性逐渐恢复，即电流增益开始逐渐地增加，但是不可能恢复到辐照前的状态。

图8和图9，图10和图11分别为电子辐照剂量为4×1015e-/cm2和8×1015e-/cm2的随退火时间变化的输出特性曲线，其中Ib为40μA。

分别对比三组不同剂量的SiGeHBT器件的输出特性曲线与退火时间的变化关系，可以知道随着退火时间的增加，器件的输出特性曲线在逐渐地增加，即电流增益开始恢复。

但是对比辐照之前的输出曲线，我们发现电流增益的恢复不可能再达到辐照前的电流增益，即电子辐照对器件造成的损伤是对器件的结构产生了变化，使得器件的结构发生改变，从而造成了SiGeHBT器件的电学参数发生了改变。

图6电子辐照剂量为8×1014e-/cm2的SiGeHBT器件随退火时间变化的

输出特性曲线（不包含辐照前输出特性曲线Ib=40μA）

图7电子辐照剂量为8×1014e-/cm2的SiGeHBT器件随退火时间变化的

输出特性曲线（Ib=40μA）

如图6和图7所示为电子辐照剂量为8×1014e-