锗硅异质结双极晶体管的质子辐照效应及影响因素研究

Due to its advantages of resistance to total ionizing dose effect and displacement damage, and good adaptation to cryogenic environment, Silicon-Germaniun Heterojunction Bipolar Transistor（SiGe HBT） has been used in space extreme environment. However, it is sensitive to single event effect and the percentage of proton is the biggest among the particles in space, therefore proton single event effect is one of the key factors constraining the application of SiGe HBT in space. There are many questions left to be answered before homemade SiGe HBTs are used in projects of exploration of the moon and Mars. Based on the scientific questions, proton accelerators will be used to irradiate SiGe HBTs and computer simulation will be performed to investigate proton radiation effects in homemade SiGe HBTs. The single event transient will be characterized. The proton synergistic effect of single event effect, total ionizing dose effect and displacement damage will be analyzed. The impact of low and high temperature, from -180℃ to +120℃, and the influence of test condition on proton radiation effects will be surveyed. Register based on SiGe HBT will also be irradiated by protons to study the single event upset. The rule and the mechanism of proton radiation effects in homemade SiGe HBT will be uncovered to provide reference and technical support for its radiation hardening design and application in space.

锗硅异质结双极晶体管（SiGe HBT）具有良好的抗总剂量和位移损伤及低温适应性等优点，但对单粒子效应非常敏感。空间辐射中质子占比最大，质子单粒子效应是制约其空间应用的关键因素之一。国产SiGe HBT与国外器件不同，要应用于我国探月工程和火星探测，有许多问题要回答。本项目从SiGe HBT辐照效应的科学问题出发，通过加速器辐照和计算机模拟研究国产SiGe HBT器件的质子辐照效应，主要包括质子单粒子瞬态脉冲的表征及影响因素、质子协和效应（单粒子效应、总剂量效应和位移损伤在质子辐照效应中的占比及其相互影响）、高低温（-180℃到+120℃）环境下的质子辐照效应、测试条件对效应的影响、基于SiGe HBT的寄存器的质子单粒子翻转效应及影响因素，最终获得国产SiGe HBT的质子辐照效应规律，揭示质子辐照效应机理和关键影响因素，为国产SiGe HBT的空间应用及加固设计提供理论依据和技术支持。

该项目基于国产SiGe HBT工艺，开展以下研究：.（1）质子单粒子瞬态脉冲的表征及影响因素：质子单粒子瞬态脉冲的表征与重离子单粒子瞬态脉冲的表征类似，主要用瞬态脉冲的幅值、宽度和电荷收集量来表征。相比重离子诱发的瞬态电流，质子诱发的瞬态电流峰值低、持续时间短，更不容易测试表征。随着质子能量的减小，单粒子瞬态脉冲的幅值、宽度和电荷收集量都减小；随质子入射角度增加，具有长持续时间和高电荷收集量的单粒子瞬态事件占比增加；HBT的工作模式、偏置条件及工作温度对单粒子瞬态脉冲和电荷收集量都有影响。.（2）质子协和效应：质子的协和效应取决于质子的能量，质子的LET值随能量增加迅速降低。质子能量低于30MeV，可以不考虑单粒子效应。质子能量大于30MeV时，存在单粒子效应与总剂量效应的协和效应，不同效应在协和效应中的占比决定于质子能量，也与测试方式有关。质子的非电离能量损失随质子能量的增加而减小，高能质子的位移损伤很小。因此，单粒子效应、总剂量效应和位移损伤在质子辐照效应中的占比与质子能量有关，对于SiGe HBT，一般不考虑其相互影响。.（3）高低温（-180℃到+120℃）环境下的质子辐照效应：基于TCAD模拟计算获得SiGe HBT在77 K（-196℃）、300 K（27℃）和473 K（200℃）下的Gummel特性曲线，得到了HBT各端口最终的电荷收集量和瞬变电流峰值随温度的变化关系。.（4）测试条件对效应的影响：分析了质子不同能量、不同入射角度下SiGe HBT的单粒子效应脉冲及电荷收集，研究了不同工作模式、不同温度以及不同偏置条件对电荷收集的影响。.（5）加固技术研究：基于TCAD仿真工具，评估了背结结构和p+缓冲层结构两种单粒子效应加固方案在国产SiGe HBT中的效果，获得了两种加固方案对不同收集机制主导的电荷收集过程的影响机制。将国产SiGe HBT的单粒子效应敏感区域由p+环所包围的区域缩小至与CS结面积相当的区域，同时将CS结内重离子入射导致的集电极电荷收集量降低一半以上，且不对器件的常规特性造成影响。