劉偉鑫 徐導(dǎo)進 吾勤之

(上海航天技術(shù)研究院第八○八研究所 上海 201109)

光電器件的工作速度快、靈敏度高、功耗低，在光纖通信、光電探測、光電對抗等新技術(shù)中獲得廣泛應(yīng)用[1,2]。然而，空間環(huán)境中的帶電粒子對衛(wèi)星用光電器件的空間輻射效應(yīng)，會引起其參數(shù)特性顯著退化，甚至是功能失效。光電器件的空間輻射效應(yīng)研究對于確保其工作可靠性具有重要意義[3,4]。

對典型光電器件空間輻射效應(yīng)的很多研究成果，已運用于光電器件的抗輻射加固中[4]。本文對GaAlAs異質(zhì)結(jié)紅外發(fā)光二極管OP224和NPN型Si光電三極管OP604，進行了60Co γ射線輻照試驗研究，對其電離輻照損傷現(xiàn)象及損傷機理進行了分析和探討。

1 試驗方法

1.1 試驗樣品

GaAlAs異質(zhì)結(jié)紅外發(fā)光二極管OP224和NPN型Si光電三極管OP604，系美國OPTEK公司產(chǎn)品。圖1為它們的外形示意圖，均為微小型膠囊式封裝，兩者頭部均有一半球形玻璃透鏡。OP224的圓柱形外殼為正極，外殼上凸起的“耳朵”為負極；OP604的圓柱形外殼為集電極，“耳朵”為發(fā)射極。OP224發(fā)出的紅外光峰值波長為890 nm，OP604的光譜響應(yīng)峰值波長也為 890 nm，兩者的光譜有較好匹配性。

1.2 輻照試驗

輻照試驗在中國科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所60Co γ源上完成。輻照劑量率2016 Gy(Si)/h，輻照偏置條件為：OP224正向偏置電壓VF＝1.5 V，OP604的集電極-發(fā)射極間施加偏置電壓 VCE＝4.5 V；輻照劑量為 200、500、800、1100、1500、2000 Gy(Si)；在相應(yīng)劑量點用移位測量方式測量試驗器件的電參數(shù)，每次電參數(shù)測量在20 min內(nèi)完成。

圖1 紅外發(fā)光二極管OP224和光電三極管OP604結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure of infrared emitting diode OP224 and phototransistor OP604.

1.3 電參數(shù)測量方法

1.3.1 OP224伏安特性測量

用與計算機GPIB總線接口連接的HP4142半導(dǎo)體器件測試系統(tǒng)給 OP224加正向掃描電壓 VF(0–1.6 V，掃描間隔 0.08 V)，在每個掃描點測量OP224的正向電流IF，得到IF-VF特性曲線。

1.3.2 OP224紅外光強度測量

用未輻照三極管OP604作基準，接收并測量已輻照 OP224發(fā)出的紅外光。用特制夾具將 OP224與 OP604固定在暗盒中，確保兩者處于同一軸線上，并使它們的透鏡正面相對且距離為d(圖1)。

如圖2，通過HP4142給作為基準的OP604集電極-發(fā)射極間施加VCE=5 V電壓，給OP224施加正向掃描電流IF(0–70 mA，掃描間隔10 mA)，在每個掃描點測量OP604的集電極電流IC(即為紅外光源照射下的光電流IL), 用它表征進行已輻照OP224發(fā)出的紅外光強度L。

圖2 紅外光強度及暗電流、光電流測量原理圖Fig.2 The schematic diagram of infrared light intensity, dark current and photocurrent measurement.

1.3.3 OP604暗電流測量

如圖2，用HP4142給進行輻照的OP604集電極-發(fā)射極間施加VCE=5 V電壓，在暗盒中測量其集電極電流IC，即為暗電流ID。

圖3 不同劑量下紅外發(fā)光二極管OP224的伏安特性(a)及其正向電流IF與光電三極管OP604光電流IL的關(guān)系(b)Fig.3 I-V characteristics of infrared emitting diode OP224 irradiated to different doses (a),and its IF as a function of IL of phototransistor OP604.

1.3.4 OP604光電流測量

用未輻照 OP224發(fā)出的強度恒定的紅外光作為基準光源，照射已輻照OP604(圖1)。如圖2，由HP4142給作為基準光源的OP224施加IF＝50 mA電流，使其發(fā)出強度恒定的紅外光，給已輻照OP604集電極-發(fā)射極間施加VCE＝5 V電壓，測量其集電極電流IC，即為其固定紅外光源照射下的光電流IL。

2 試驗結(jié)果

2.1 OP224輻照試驗結(jié)果

由圖3(a)，OP224的輻照退化表現(xiàn)為正向電流IF的最大值隨輻照累積劑量的增加而下降。輻照前IF的最大值在100 mA左右，當(dāng)累積劑量達2 kGy(Si)時，IF的最大值降至75 mA左右。

由圖 3(b)，隨著輻照累積劑量的增加，作為OP604的光電流IL逐漸下降，從輻照前的25 μA降至2 kGy(Si)時的15 μA左右。這說明OP224發(fā)出的紅外光強度L隨輻照累積劑量的增加逐漸衰減。

圖4 光電三極管OP604暗電流ID(a)及其光電流IL(b)隨輻照累積劑量的變化關(guān)系Fig.4 ID (a) and IL (b) of phototransistor OP604 irradiated to different doses.

2.2 OP604輻照試驗結(jié)果

由圖4(a)，OP604的暗電流ID隨輻照累積劑量增大，暗電流從輻照前的ID～10 nA增大至2 kGy(Si)時的60 nA左右。

OP224與OP604透鏡正面相對，間距d分別為2 mm和 5 mm時，OP604光電流IL(或電流增益β)隨輻照累積劑量的變化情況見圖4(b)。劑量為 2 kGy(Si)，d=2 mm和d=5 mm時，其輻照前的光電流IL分別為 25 μA 以上和 7 μA，輻照 kGy(Si)后分別下降至15 μA左右和3 μA左右。

3 討論

上述結(jié)果表明，GaAlAs異質(zhì)結(jié)紅外發(fā)光二極管OP224的電離輻照效應(yīng)主要表現(xiàn)為：隨著輻照累積劑量的增加，正向電流IF的最大值逐漸下降，紅外光強度L逐漸衰減。NPN型Si光電三極管OP604的電離輻照效應(yīng)主要表現(xiàn)為：隨著輻照累積劑量增加，暗電流ID逐漸增大、光電流IL逐漸下降(即電流增益逐漸下降)。

根據(jù)空間電荷模型[5–8]，在60Co γ射線輻照下，試驗器件 PN+結(jié)表面的場氧化層中產(chǎn)生了大量電子-空穴對。由于電子遷移率較高(T=300 K時，SiO2層中電子遷移率～2×103m2·V–1·s–1)，在短時間內(nèi)即被掃出場氧化層；空穴則緩慢地向 Si-SiO2界面輸運(T=300 K 時，SiO2層中空穴遷移率～2×10–9m2·V–1·s–1)。輸運過程中一部分空穴被場氧化層中的陷阱俘獲形成氧化物陷阱電荷積累，而另一部分輸運至Si-SiO2界面處的空穴被界面附近的陷阱俘獲形成界面態(tài)陷阱電荷(圖5)。

圖5 輻照時PN結(jié)及表面SiO2層變化示意圖Fig.5 The schematic diagram of PN junction and surface SiO2 layer changing when irradiated.

氧化物陷阱電荷濃度Not與表面勢VS的關(guān)系可用式(1)描述[9]，隨著輻照累積劑量的增大，Not逐漸增大，導(dǎo)致了表面勢VS不斷增加，引起圖6中的表面能帶向下彎曲，使低摻雜P區(qū)內(nèi)耗盡層邊界向外擴展，即耗盡層寬度DSC以式(2)示關(guān)系不斷增加[9]，導(dǎo)致了表面耗盡層內(nèi)的復(fù)合電流增大。

式中，NS代表P型Si的摻雜濃度，q代表電子電量，εS、ε0分別為Si和真空介電常數(shù)。

Si-SiO2界面處界面態(tài)陷阱電荷濃度Nit的增大使界面處的有效復(fù)合中心濃度 Nrs不斷增加，導(dǎo)致表面復(fù)合速率S增大[9]，表面復(fù)合電流進一步增大。

圖6 表面能帶彎曲示意圖Fig.6 The schematic diagram of surface energy-band.

式中，rs為空穴俘獲系數(shù)，n0、p0、ni分別是Si表面熱平衡時體內(nèi)的電子、空穴、本征載流子濃度，Nrs為有效復(fù)合中心濃度，k為波爾茲曼常量，T為絕對溫度，qΨ =(Ei－q)(VS－EF)，其中 Ei、Eis、EF分別是半導(dǎo)體體內(nèi)、表面處的本征能級及體內(nèi)的費米能級。

上述兩種因素(電離輻照感生的大量氧化物陷阱電荷和界面態(tài)陷阱電荷)導(dǎo)致GaAlAs異質(zhì)結(jié)紅外發(fā)光二極管 OP224正向電流 IF的最大值和紅外光的強度L衰減以及NPN型Si光電三極管OP604的暗電流 ID增大、光電流 IF下降，即出現(xiàn)電流增益下降的結(jié)果。

1 劉忠立.先進半導(dǎo)體材料及器件的輻射效應(yīng).北京: 國防工業(yè)出版社, 2008 LIU Zhongli.Radiation effects in advanced semiconductor materials and devices.Beijing: National Defense Industry Press, 2008

2 陳盤訓(xùn).半導(dǎo)體器件和集成電路的輻射效應(yīng).北京: 國防工業(yè)出版社, 2005 CHEN Panxun.Radiation effects in semiconductor devices and integrated-circuit.Beijing: National Defense Industry Press, 2005

3 何 君.半導(dǎo)體情報, 2001, 38(2): 19–23 HE Jun.Inf Semicond, 2001, 38(2): 19–23

4 羅雁橫, 張瑞軍.電子與封裝, 2009, 9(8):43–47 LUO Yanheng, ZHANG Ruijun.Electron Packag, 2009,9(8):43–47

5 Nowlin R N, Enlow E W, Schrimpf R D, et al.IEEE Trans Nucl Sci, 1992, 39(6): 2026–2035

6 Enlow E W, Pease R L, Combs W E, et al.IEEE Trans Nucl Sci, 1991, NS38-(6): 1342–1351

7 Fleetwood D M, Kosier S L, Nowlin R N, et al.IEEE Trans Nucl Sci, 1994,41(6):1871–1883

8 Rashkeev S C, Schrimpf R D, Fleetwood D M, et al.IEEE Trans Nucl Sci, 2002,49(6): 2650–2655

9 顧祖毅, 田立林.半導(dǎo)體物理學(xué).南京: 南京理工大學(xué)出版社, 1995 GU Zuyi, TIAN Lilin.Semiconductor physics.Nanjing:Nanjing University of Science and Technology Press,1995