冒國(guó)均，邊煒欽，薛海衛(wèi)，楊光安

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所，江蘇無錫 214072；2.東南大學(xué)，南京 210001）

1 引言

MOS 器件中存在各種寄生的PN 結(jié)構(gòu)，研究PN結(jié)的瞬時(shí)劑量率效應(yīng)是研究MOS 器件瞬時(shí)劑量率效應(yīng)的基礎(chǔ)。本文基于0.13 μm SOI 工藝的二極管器件模型，通過數(shù)值模擬，研究了二極管的瞬態(tài)劑量率效應(yīng)，得到了不同瞬時(shí)劑量率、不同偏置電壓下的二極管光電流變化關(guān)系，對(duì)研究深亞微米SOI 工藝器件的瞬態(tài)劑量率效應(yīng)具有一定的參考意義。

2 瞬態(tài)劑量率輻射效應(yīng)

SOI 器件的瞬時(shí)劑量率效應(yīng)是指暴露于脈沖γ 射線輻射的MOS 器件所表現(xiàn)出的電離輻射損傷，瞬時(shí)電離脈沖輻射下，MOS 器件PN 結(jié)中產(chǎn)生光生載流子，引起PN 結(jié)間的光電流流動(dòng)。

PN 結(jié)內(nèi)產(chǎn)生的光電流包括瞬態(tài)漂移光電流和擴(kuò)散光電流兩部分。漂移光電流主要在PN 耗盡區(qū)內(nèi)產(chǎn)生，擴(kuò)散光電流主要在耗盡區(qū)外產(chǎn)生。瞬態(tài)漂移光電流的大小為

其中q 為電子電荷，g0為載流子產(chǎn)生率，γRD為瞬時(shí)輻射劑量率，V 為耗盡區(qū)體積。

當(dāng)瞬態(tài)電離脈沖輻射在二極管N 區(qū)、P 區(qū)產(chǎn)生光電流作用的距離x1、x2小于電子空穴的擴(kuò)散長(zhǎng)度或與其相當(dāng)時(shí)，P 區(qū)收集的擴(kuò)散光電流近似為

N 區(qū)收集的擴(kuò)散光電流近似為

其中q 為電子電荷，g0為載流子產(chǎn)生率，γRD為瞬時(shí)輻射劑量率，Ln、Lp為電子空穴的擴(kuò)散長(zhǎng)度 ；ξp=x1/Lp、ξn=x2/Ln，Ln=Dnτn、Lp=Dpτp。Dn、Dp為電子空穴擴(kuò)散系數(shù)，τn、τp為少子壽命[5-6]，如圖 1 所示。

綜上所述，PN 結(jié)總的瞬態(tài)光電流如式（4）：

造模后動(dòng)物的血脂水平比正常組明顯升高（P＜0.05），其中高密度脂蛋白的升高考慮是機(jī)體受到膽固醇、甘油三酯和低密度脂蛋白的刺激后產(chǎn)生的應(yīng)激性增高，屬于保護(hù)性；阿托伐他汀和護(hù)心康對(duì)膽固醇和低密度脂蛋白的升高具有明顯的療效（P＜0.05），WIF的對(duì)其的降低作用不明顯；三種藥物對(duì)甘油三酯和高密度脂蛋白的影響相對(duì)較小，見表1。

圖1 PN 二極管示意圖

3 二極管器件結(jié)構(gòu)

本文選取PN+二極管及P+N 二極管兩種常用的PN 結(jié)構(gòu)，PN 結(jié)二極管結(jié)構(gòu)及輸入輸出特性曲線通過TCAD 軟件的Athena 模塊仿真實(shí)現(xiàn)，使用Atlas 仿真模塊仿真器件結(jié)構(gòu)基本電學(xué)特性，調(diào)節(jié)工藝參數(shù)，使仿真結(jié)果接近或達(dá)到實(shí)際數(shù)值要求。

本文描述的PN+二極管器件長(zhǎng)度為0.25 μm，N+注入寬度為0.08 μm，正向?qū)▔航禐?.9 V，反向擊穿電壓為-6 V。P+N 二極管器件長(zhǎng)度為0.2 μm，P+注入寬度為0.12 μm，正向?qū)▔航禐?.74 V，反向擊穿電壓為-6 V。與 0.18 μm 工藝相比，0.13 μm 工藝的P+N 二極管 DC 特性好，其中 Is比 0.18 μm 小了一個(gè)數(shù)量級(jí)、Jsw是 0.18 μm 的 1/3，同尺寸的 0.13 μm SOI工藝二極管電容低，具有更低的電容特性和更好的溫度特性，所以在瞬態(tài)劑量率輻射下，0.13 μm SOI 工藝的二極管產(chǎn)生的光電流要比0.18 μm 體硅工藝小。

4 二極管瞬態(tài)劑量率數(shù)值模擬及分析

4.1 PN+型瞬態(tài)劑量率仿真

在PN+二極管兩端分別施加-2 V、-4 V、-6 V 的偏壓，劑量率選取 1×1013rad(Si)/s、5×1013rad(Si)/s、1×1014rad(Si)/s、5×1014rad(Si)/s 和 1×1015rad(Si)/s 5 個(gè)點(diǎn)，通過仿真得到反偏電流變化如下：

當(dāng)二極管正極施加電壓Vanode為-2 V 時(shí)，輻照前反偏電流為0.14 mA。在劑量率分別為1×1013rad(Si)/s、5×1013rad(Si)/s、1×1014rad(Si)/s、5×1014rad(Si)/s 及 1×1015rad (Si)/s 輻照后，瞬態(tài)電流峰值分別變?yōu)?.142 mA、0.15 mA、0.158 mA、0.22 mA 和 0.295 mA。不同劑量率下的電流變化見圖2（a）。

Vanode為-4 V 時(shí)，輻照前反偏電流為0.212 mA。在劑量率分別為 1×1013rad(Si)/s、5×1013rad(Si)/s、1×1014rad(Si)/s、5×1014rad(Si)/s 及 1×1015rad(Si)/s 輻照后，瞬態(tài)電流峰值分別變?yōu)?.213 mA、0.225 mA、0.24 mA、0.34 mA 和0.47 mA。不同劑量率下的電流變化見圖2（b）。

Vanode為-6V 時(shí)，輻照前反偏電流為0.6mA。在劑量率分別為 1×1013rad(Si)/s、5×1013rad(Si)/s、1×1014rad(Si)/s、5×1014rad(Si)/s 及 1×1015rad(Si)/s 輻照后，瞬態(tài)電流峰值分別變?yōu)?0.61 mA、0.68 mA、0.75 mA、1.25 mA 和1.75 mA，不同劑量率下的電流變化見圖2（c）。

在不同的劑量率、不同偏置電壓下，PN+二極管的電流變化率如表1 所示。

圖2 PN+不同劑量率、不同偏壓下的電流變化

表1 PN+型二極管電流變化率

4.2 P+N 瞬態(tài)劑量率仿真

與PN+型二極管類似，對(duì)于P+N 型二極管施加相同的偏壓、相同的5 個(gè)劑量率點(diǎn)，通過仿真得到反偏電流變化如下。

Vanode為-2 V 時(shí)，輻照前反偏電流為0.09 mA。在劑量率分別為 1×1013rad (Si)/s、5×1013rad (Si)/s、1×1014rad(Si)/s、5×1014rad(Si)/s 及 1×1015rad(Si)/s 輻照后，瞬態(tài)電流峰值分別變?yōu)?.092 mA、0.10 mA、0.11 mA、0.175 mA 和0.26 mA。不同劑量率下的電流變化見圖3（a）。Vanode為-4 V 時(shí)，輻照前反偏電流為0.15 mA。在劑量率分別為 1×1013rad(Si)/s、5×1013rad(Si)/s、1×1014rad(Si)/s、5×1014rad(Si)/s 及 1×1015rad(Si)/s輻照后，瞬態(tài)電流峰值分別變?yōu)?.151 mA、0.1625 mA、0.175 mA、0.3125 mA 和0.475 mA。不同劑量率下的電流變化見圖 3（b）。Vanode為-6 V 時(shí)，輻照前反偏電流為0.54 mA。在劑量率分別為1×1013rad (Si)/s、5×1013rad(Si)/s、1×1014rad(Si)/s、5×1014rad(Si)/s 及 1×1015rad(Si)/s 輻照后，瞬態(tài)電流峰值分別變?yōu)?.545 mA、0.61 mA、0.7 mA、1.35 mA 和 2.05 mA。不同劑量率下的電流變化見圖3（c）。

圖3 P+N 不同劑量率、不同偏壓下的電流變化

在不同的劑量率和不同的偏置電壓下，P+N 型二極管的電流變化率如表2 所示。

表2 P+N 型二極管電流變化率

從上述仿真結(jié)果可知，兩種類型的二極管光電流都隨著劑量率和反偏電壓的增加而增大，當(dāng)劑量率為1×1013rad(Si)/s 時(shí)，二極管光電流的變化率不超過3%；當(dāng)劑量率為5×1013rad (Si)/s 時(shí)，PN+型二極管的光電流變化率最大為12%左右，而P+N 型二極管的光電流變化率最大達(dá)到16%左右；當(dāng)劑量率大于等于1×1014rad(Si)/s 時(shí)，PN+型二極管的光電流變化率最大為24%左右，而P+N 型二極管的光電流變化率最大達(dá)到34%左右；當(dāng)劑量率為 1×1015rad(Si)/s 時(shí)，PN+ 型二極管的光電流變化率最大為197%左右，而P+N 型二極管的光電流變化率最大達(dá)到289%左右。

相同類型的二極管，當(dāng)電壓為-2 V 和-4 V 時(shí)，兩者之間光電流的變化率差距不大，當(dāng)電壓為-6 V 時(shí)，光電流變化率較大。對(duì)于不同的劑量率來講，當(dāng)劑量率小于等于 1×1014rad(Si)/s 時(shí)，偏置電壓為-6 V 時(shí)，最大光電流變化率為輻照前的1/3。當(dāng)劑量率達(dá)到1×1015時(shí)，光電流變化率急劇增加，偏置電壓為-4 V 時(shí)，最大光電流變化率為輻照前的2 倍；偏置電壓為-6 V 時(shí)，最大光電流變化率將近輻照前的3 倍。

在PN+和P+N 兩種不同的二極管之間，在相同的劑量率和電壓下，PN+產(chǎn)生的光電流比P+N 產(chǎn)生的光電流小，PN+ 的平均光電流變化率約是P+N 的60%，表明在瞬態(tài)輻射下，PN+型二極管產(chǎn)生的光電流較小。

根據(jù)上述仿真結(jié)果，由二極管瞬態(tài)光電流公式可知，漂移電流和擴(kuò)散電流都與瞬態(tài)劑量率成正比，漂移電流的貢獻(xiàn)要比擴(kuò)散電流大。當(dāng)瞬態(tài)劑量率超過5×1014rad(Si)/s 時(shí)，載流子的產(chǎn)生率急劇上升，導(dǎo)致漂移電流比輻照前成倍增加；偏置電壓對(duì)光電流的影響體現(xiàn)在對(duì)瞬態(tài)光電流的收集能力上，在相同的瞬態(tài)劑量率輻射下，偏置電壓越大，電子空穴擴(kuò)散長(zhǎng)度縮短，光電流作用的距離增加，導(dǎo)致擴(kuò)散電流變大。

5 結(jié)論

采用TCAD 仿真工具，對(duì)0.13 μm SOI 工藝下的PN+和P+N 型二極管進(jìn)行了瞬態(tài)劑量率輻射效應(yīng)仿真，綜合仿真結(jié)果可知：二極管兩端反向偏置電壓越高，反偏光電流的變化率越大；輻射劑量率越大，產(chǎn)生的光電流的變化率也越大；在相同偏置電壓、相同輻射劑量率條件下，PN+ 型二極管的光電流變化率比P+N 型二極管的光電流變化率要小，PN+型二極管的抗瞬時(shí)劑量率輻射效應(yīng)要比P+N 型好；當(dāng)劑量率不大于1×1014rad(Si)/s 閾值時(shí)，光電流變化率不大，對(duì)二極管的特性幾乎無影響。而當(dāng)劑量率大于1×1014rad(Si)/s時(shí)，兩種類型的光電流變化率成倍增加。瞬態(tài)劑量率產(chǎn)生的光電流遠(yuǎn)大于偏置電壓引起的光電流，是瞬態(tài)輻射中產(chǎn)生二極管感生光電流的主要因素。

瞬態(tài)劑量率輻射下的二極管光電流數(shù)值模擬及變化趨勢(shì)的分析，為研究0.13 μm SOI 工藝下二極管的瞬態(tài)輻射效應(yīng)提供了參考。