中子辐照对硅锗合金PN结电学性能的影响机理研究

Silicon-Germanium (SiGe) -based devices exhibit excellent low temperature characteristics and high tolerance to total ionizing dose radiation without modification to the device structure, and recently have attracted great attention in radiation-rich environment applications. However, the basic properties of the neutron radiation-induced vacancy clusters and their influences on the SiGe diode characteristics, which is yet to be essentially addressed. By investigating electrical and thermodynamic properties of the radiation-induced deep vacancy clusters, the impacting mechanism of neutron-radiation on the electrical characteristics of SiGe diodes will be studied. Meanwhile, hydrogen doping will be implemented to control the recombination activities and formations of vacancy clusters in SiGe. On this basis, we will combine the device process optimization and hydrogen doping to prevent the carrier generation-recombination, thus achieving the hardened devices. These results will not only enrich the defect theory of vacancy clusters in SiGe, but also be practically of interest for the resolution of radiation hardness of SiGe diodes and integrated circuits.

硅锗合金器件由于其低温可靠性与抗总剂量辐照特性，而有望应用于辐照环境中，由此得到了业界的广泛关注。然而，中子辐照对硅锗合金器件电学性能的影响机理，则未能得到深入而系统的研究。本项目通过系统研究硅锗合金中中子辐照诱生的深能级空位团簇的电学性质、形成与消除行为，确立空位团簇对载流子产生-复合行为的作用机制，进而建立中子辐照对硅锗合金PN结电学性能产生影响的微观物理图像。进一步地，研究氢掺杂对硅锗合金中空位团簇的电学复合性能、形成与消除行为的影响，以此揭示氢掺杂对硅锗合金器件抗中子辐照能力的影响机理。在此基础上，借助氢掺杂，合理调控中子辐照诱生缺陷的复合特性与形成行为，旨在提高硅锗合金PN结的抗中子辐照能力。研究结果不仅有助于加深人们对硅锗合金中空位团簇的理论认识，而且对调控硅锗合金晶体管及其集成电路的抗中子辐照性能具有重要的实际意义。

硅基器件是集成电路中应用最为广泛的分立器件。然而，在面临中子辐照等极端环境时，硅基器件的电学性能可能会显著退化，尤其是双极晶体管等类似结构的商用器件。然而，目前硅基器件的中子加固多集中于电路优化方面。在本项目中，我们提出了基于硅材料中锗杂质调控的技术路线，以此提升硅基器件的抗中子辐照技术。通过在硅材料中掺入高浓度的锗杂质，即硅锗合金化，以此显著提升了硅基器件的抗中子辐照性能，并明确了硅锗器件抗中子辐照的根源在于锗掺杂抑制了辐照诱生缺陷的形成。具体来说，本项目主要完成了以下工作：（1）与硅基器件相比，硅锗器件表现出了明显的抗中子辐照特性，具体表现为锗掺杂抑制了辐照后正向压降与反向漏电的退化。（2）结合深能级瞬态谱与傅里叶红外吸收谱测试，系统研究了硅与硅锗合金中辐照诱生深能级缺陷的电学性质与浓度分布等，发现锗有效抑制了硅中双空位与空位-氧等主要深能级缺陷的形成，以此揭示了硅锗器件抗中子辐照的微观原因；（3）系统研究了硅锗合金中辐照诱生缺陷的形成与消除行为，详细阐述了锗杂质对硅材料中空位、间隙硅及其相关复合体之间的反应、复合、分解与扩散等行为的影响，明确了锗杂质对辐照诱生缺陷形成与消除行为的调控机制。