新型SiGe异质结双极器件低剂量率辐照损伤机理研究

The irradiation damage at low dose rate of bipolar transistors and circuits is a great threaten to the satellite systems, space exploration platforms and space-based remote imaging systems. Consequently, the irradiation damage issue for high speed digital and mixed-signal applications which operating at low dose rate has become the main concern of space radiation research. Silicon-Germanium heterojunction bipolar transistors (SiGe HBTs) have been widely applied in high-speed digital, RF and microwave circuits because of the excellent transistor performance and integratability with CMOS. In addition, SiGe HBTs are strong contender for space applications in extreme environment on account of superior temperature characteristics. It can be used in the extreme temperature from -180℃ to 200℃ owing to the bandgap engineering in Silicon. Thus, SiGe HBTs have a possibility to replace silicon components in deep space exploration, which can remove the huge warm box so as to reduce launch costs and extend the function of remote control of satellite. As bipolar transistors, SiGe HBTs, which work at low dose rate irradiation environment for a long time, possibly cause failures of the electronic system due to the enhanced low dose rate sensitivity. Therefore, it is necessary to investigate the mechanism of irradiation damage at low dose rate for SiGe HBT. This project will analyze the key factors which cause the irradiation damage in SiGe HBT and related circuits. The physical analysis of micro-mechanism and macro-representation will be realized by numerical simulations, Combining with the experiment at low dose rate for SiGe HBTs to explore the damage mechanism. Finally, provide a theoretical basis for practical applications of SiGe HBTs at low dose rate and further radiation hardening.

低剂量率辐照损伤效应是双极型器件及其电路在空间辐射环境中发生失效的一种重要损伤模式。SiGe HBT由于硅基能带工程的材料和器件结构的优势，具有卓越的温度特性（低温-180℃至高温+125）以及优异的抗总剂量辐照性能，使其具有推广应用于卫星通信、深空探测等极端空间环境中的潜在可能。通过对SiGe HBT电离辐射总剂量效应的初步探索，发现国产器件在低剂量率辐照下表现出显著的低剂量率辐照损伤增强效应，可能导致空间应用中的电子系统由于剂量长期累积造成损伤或失效。因此，完善SiGe HBT总剂量效应实验研究方法、探索其低剂量率辐照损伤机理是国产SiGe HBT及其电路空间应用的关键。本课题针对SiGe HBT及其相关电路开展低剂量率辐照损伤研究，结合实验数据和模拟仿真，深入分析引起SiGe HBT及其电路低剂量率辐照损伤的微观机理，探索出SiGe HBT及其电路低剂量率辐照损伤的抗辐加固设计方法。

锗硅异质结双极晶体管（SiGe HBT）天然具有优异的低温特性和良好的抗总剂量效应和位移损伤效应的能力，使SiGe HBT有潜力替代目前空间应用中的体硅电子系统，去除沉重的保温装置，从而降低发射成本，扩展空间探测器的远程功能。然而，随着空间探测器在轨时间的日益延长，SiGe HBT作为双极晶体管也面临着低剂量率辐射损伤增强（ELDRS）效应的挑战。早期SiGe HBT剂量率辐照实验表明SiGe HBT不存在ELDRS效应，但早期辐照实验设计较为简单，存在累积总剂量水平较低，缺少室温退火过程以及辐照偏置条件考虑不全面等问题，不能全面地评价SiGe HBT的低剂量率辐射损伤增强效应。近年来的研究也表明不同工艺SiGe HBT的 ELDRS效应响应不同，因此开展SiGe HBT低剂量辐射损伤增强效应的微观机制和效应规律对其在空间极端环境中的应用具有深远意义。. 本项目建立了一套系统的SiGe器件总剂量效应与低剂量率损伤增强效应的实验测试技术。通过开展高、低剂量率辐照及等时室温退火实验，获得了剂量率辐照后的器件电学性能退化规律，对比分析了国内外不同工艺SiGe HBT的低剂量率辐射损伤增强响应，揭示了SiGe HBT空间低剂量率辐射损伤的作用机制。形成了一种全面的总剂量与低剂量率辐照损伤微观机理模拟方法。建立了Si/SiO2界面模型模拟不同剂量率辐照下辐射感生载流子和感生电荷浓度分布模型、与基于TCAD数值模拟的低剂量率辐照下不同工艺SiGe HBT氧化层内部空穴、H+以及辐射感生电荷的输运机制和浓度分布模型，从而揭示了低剂量率辐射损伤增强效应的微观物理机理，解释了不同工艺SiGe HBT低剂量率辐射损伤增强效应响应的差异。建立了SiGe HBT低剂量率辐射损伤增强效应数值仿真方法。开展了不同结构、不同剂量率以及不同偏置条件下SiGe HBT低剂量率辐射损伤增强效应数值仿真，获得了影响辐射损伤的关键因素，为其抗辐射加固提供了明确方向。从粒子输运的微观机制到器件性能退化的宏观电学表征，全面深刻理解了新型SiGe器件低剂量率辐射损伤机理。为新型宇航器件的研制和工程应用提供技术支撑，推动了SiGe HBT的空间应用，填补了国内该研究领域的空白。