馬 函孫 靜何承發(fā)荀明珠

1（中國科學院新疆理化技術研究所烏魯木齊830011）

2（中國科學院大學北京100049）

輻射敏感晶體管（Radiation Sensitive Field-Effect Transistors，RADFETs）是基于輻射導致P溝道金屬氧化物半導體（Positive channel Metal Oxide Semiconductor，PMOS）氧化層陷阱電荷變化的一種劑量計，也被稱為PMOS劑量計，最早由Holmes-Siedle提出［1］。經多年的發(fā)展，由于其較好的線性度、體積重量小、使用便利等特點，RADFETs已被廣泛應用于空間科學、放射醫(yī)學、核工業(yè)等各種場景［2-5］。

RADFETs在使用前需要進行劑量刻度標定，由于60Co γ射線被認為和空間輻射帶的電子造成的影響類似［4，6］，RADFETs在使用前的標定通常都采用60Co γ射線源來進行。然而，根據AE9/AP9/SPM模型，空間的電離輻射源主要以質子（p）和電子（e）為主，內輻射帶中質子占比相對外輻射帶更高，太陽活動也會改變質子通量［7］，因此RADFETs在空間應用時，需要考慮質子的劑量響應以及質子輻照后對后續(xù)電子劑量響應的影響。目前的研究結果認為，RADFETs對不同質子、電子以及γ的電離輻射響應都能夠保持較好的線性響應［5，8-9］，但這些研究結果都是在單一輻射源條件下實驗得到的，并沒有考慮空間實際存在的不同入射粒子的共同作用所產生的協和問題。

因此，針對RADFETs在地面標定使用60Co γ源而實際空間應用時的質子與電子輻射環(huán)境的差異性，以及質子和60Co γ復合場環(huán)境下的響應機制問題，本文分別進行了單獨γ輻照實驗和先質子后γ的協和輻照實驗，并通過中帶電壓法和電荷泵法分離氧化物陷阱電荷和界面態(tài)陷阱電荷的影響，結合Geant4仿真PKA（Primary Knock-on Atom）的產生，對響應的微觀物理機制進行了解釋，為RADFETs的空間環(huán)境應用提供了參考。

1 實驗器件與過程

實驗器件為Tyndall公司400 nm柵氧厚度的RADFETs，結構如圖1所示［10］。輻照靈敏區(qū)為柵氧介質，下端的支撐襯墊作為射線的背散射模體，與普通MOSFETs結構相比，RADFETs具有更厚的氧化層以及更大的有源區(qū)面積，因此劑量響應更加靈敏。輻照器件根據柵壓條件分為兩組：一組輻照時所有管腳短接，即柵端為0 V，另一組器件柵端接4 V電壓，其余管腳接地。

圖1 RADFET器件結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of the RADFET device structure

輻照總劑量為40 krad（SiO2），輻照次序為先質子后γ輻照，質子劑量分別為0 krad（SiO2）、10 krad（SiO2）和20 krad（SiO2）。質子劑量D通過線性能量轉移系數（Linear Energy Transfer，LET）換算：

式中：Φ為質子注量，對應注量點分別為0、1.7×1010p·cm-2和3.4×1010p·cm-2；dE/dx為10 MeV質子在SiO2中的LET值。γ輻照在中國科學院新疆理化技術研究所的60Co γ輻照裝置上進行，劑量場在輻照前通過PTW-UNIDOSE劑量計進行了標定，換算為等效SiO2吸收劑量，劑量率為18.7 rad·s-1（SiO2）。

2 結果分析與討論

2.1 閾值電壓漂移（ΔVth）

在每個劑量點，我們測試了器件的轉移特性曲線，通過最大跨導法提取出了器件的閾值電壓。輻照柵壓為0 V的ΔVth隨累積劑量的變化如圖2（a）所示，柵壓為4 V的結果如圖2（b）所示。

從圖2可以看到，在10 krad（SiO2）和20 krad（SiO2）等效劑量點下，柵壓0 V時10 MeV質子輻照導致的ΔVth僅為γ輻照情況的30%左右，原因一是劑量換算沒有考慮氧化層上部其他材料層的屏蔽以及薄材料層劑量的誤差，二是質子和γ輻照電荷產額的差異導致的。柵壓為4 V時，ΔVth的變化量是0 V情況下的5～6倍，質子導致的ΔVth與γ結果差異更大，即柵壓增加對質子電離過程的影響相對較小。

圖2 RADFETs隨累積劑量的閾值電壓漂移量及擬合曲線(a)柵壓為0 V，(b)柵壓為4 VFig.2 Change of theΔVth change with accumulated dose and the fitted curve(a)Gate voltage at 0 V,(b)Gate voltage at 4 V

RADFETs作為劑量計的基礎，是其閾值電壓隨著累積劑量的變化呈一定關系，在此選用Kimoto and Jaksic響應模型［4］，可表示為式（2）：

式中：ΔVth為器件的閾值電壓漂移量；D為器件的累積吸收劑量；A和n表示電場、氧化層厚度、劑量等因素的線性依賴度。在理想情況下，n=1，響應呈線性關系。通過式（2）的擬合，得到不同實驗組的擬合參數（表1），擬合曲線如圖2所示。4 V柵壓的結果與0 V結果相比，線性度參數n差異并不大，而靈敏度參數A升高5～8倍。10 MeV質子輻照后再進行γ輻照，RADFETs對γ射線的劑量響應依然可以與Kimoto and Jaksic響應模型較好的擬合，而且線性度n比單獨γ輻照的結果更高，殘差平方和（Residual Sum of Squares，RSS）更小。

表1 Kimoto and Jaksic響應模型擬合參數Table 1 The fitting parameters of Kimoto and Jaksic model

質子在SiO2中阻止本領較大，產生的電子-空穴對較γ更為密集，更加符合柱狀復合模型，復合率更高。因此逃出初始復合的空穴（即電荷產額）低，最后形成的陷阱電荷數目更少［6］，因此質子的劑量響應相對γ較差。柵壓為4 V的情況下，柵氧介質中的電場會使得電子空穴對的1/r勢壘邊界發(fā)生畸變（Frenkel-Poole效應），電子更容易逃離出勢壘范圍，使得電子-空穴對的復合變少，最終的電荷產額增加（圖3），從而RADFETs的靈敏度提高［11］。在Srour等的研究中［12］，說明了電場對位移損傷的影響可以忽略，電場主要是通過改變電離輻射后的復合機制來改變對器件參數的影響。

圖3 外加電場作用下勢壘邊界的畸變Fig.3 Distortion of the potential well when an external electric field is applied

為了分析輻照過程中的微觀機制，中帶電壓法（Mid-gap Technique，MGT）和 電 荷 泵法（Charge Pump，CP）被用來分離氧化物陷阱電荷密度（ΔNot）和界面態(tài)陷阱電荷密度（ΔNit）的變化。

2.2 氧化物陷阱電荷和界面態(tài)陷阱電荷分離

中帶電壓法是利用界面態(tài)陷阱電荷在價帶中心呈電中性的原理［13］，以中帶電壓的變化量為氧化物陷阱導致的閾值電壓變化量，由式（3）、（4）決定ΔNit和ΔNot：

式中：ΔVmg表示中帶電壓的變化量；Cox表示柵氧介質的電容；q表示單位電荷。

MGT法分離的ΔNot和ΔNit分別如圖4（a）和（b）所示。

圖4 MGT分離陷阱電荷密度隨累積劑量的變化(a)ΔNot，(b)ΔNitFig.4 Change of the charge density with the accumulated dose separated by MGT(a)ΔNot,(b)ΔNit

ΔNot的變化通常由E'陷阱中心模型和極子假設中的空穴捕獲活動來解釋［15］。從分離結果可以看到，質子輻照導致的ΔNot明顯小于γ輻照后，原因是質子輻照逃出初始復合的空穴數目更少［6］。在質子輻照后進行γ輻照的ΔNot在柵壓為0 V時差異并不大，柵壓為4 V時明顯觀察到ΔNot的顯著增加，考慮0 V柵壓的電荷產額并不高，空穴捕獲概率保持不變，所以差異不大，但存在電場后，電荷產額明顯增加，使得陷阱捕獲的空穴數顯著增加。

對于ΔNit的變化，目前的研究主要通過氫輸運模型解釋［15-17］。在電子-空穴對產生復合以及輸運過程中，柵氧介質中會釋放一部分的氫，氫通過勢阱間的跳躍向SiO2/Si界面輸運。在鄰近界面時，由于存在一個較大的勢壘，質子會橫向輸運，在橫向輸運過程中可能被捕獲形成陷阱電荷。在柵壓為0 V時，ΔNit的變化不明顯，而柵壓為4 V時存在較大差異。質子輻照后再進行γ射線輻照時ΔNit的變化增強，可能是質子引入了新的界面陷阱導致的，考慮到中帶電壓法存在一定誤差，電荷泵法被用于ΔNit的分離來進行對比。

電荷泵法是在柵極加一個掃描電壓脈沖，使溝道在積累和反型狀態(tài)間不斷轉換，從而使漏源區(qū)的少數載流子在SiO2/Si界面陷阱上與襯底的多數載流子反復復合，由此產生凈的襯底電流，即電荷泵電流（Icp）。通過分析掃描脈沖與電荷泵電流的關系，得到界面陷阱電荷的信息［14］，Nit(cm-2)由式（5）決定：

式中：Icp表示電荷泵電流；f為掃描頻率（采用1 MHz）；AG為有效溝道面積；q為單位電荷。

分離結果如圖5所示。從電荷泵法分離的ΔNit變化趨勢可以看出，在相同的入射粒子輻照下，界面態(tài)變化隨累積劑量的變化呈較好的線性關系，質子輻照導致的界面態(tài)依舊小于γ輻照。存在柵壓下的ΔNit反而小于沒有柵壓的情況。質子輻照后再進行γ輻照與全部γ輻照時的變化趨勢一致，沒有MGT分離的ΔNit變化增強現象。

圖5 電荷泵法分離ΔNit隨累積劑量的變化Fig.5 Change of theΔNit change with the accumulated dose separated by CP

電荷泵法分離結果與中帶電壓法的結果存在一定 差 異，Ristic等［18-19］使 用 快 轉 換 態(tài) 陷 阱（Fast Switch Trap，FST）和慢轉換態(tài)陷阱（Slow Switch Tarp，SST）進行了解釋。CP法分離的界面態(tài)只包含FST，即真界面態(tài)陷阱電荷，而MGT法分離的界面態(tài)包含了FST和SST。MGT將一部分鄰近界面處的陷阱電荷（SST）也分離為界面陷阱電荷，這是CP分離的ΔNit明顯小于MGT分離結果的原因。因此兩種方法差異的來源在于SST的影響。通過兩種方法的結果對比，可以認為質子使得鄰近界面處的陷阱捕獲空穴活動增強，或者質子在鄰近界面處引入了新的陷阱。為了討論質子引入的陷阱情況，Geant4工具包被用來仿真質子在SiO2中的初級反沖原子（Primary Knock-on Atom，PKA）產生過程。

2.3 Geant4仿真質子在SiO2中的初級反沖原子產生

質子除了電離效應之外，還會在材料晶體中形成點缺陷或團簇缺陷，這些輻射誘發(fā)的缺陷可能是電中性或電活性的，電活性的缺陷可以成為載流子的產生-復合中心或者捕獲中心，最終會導致器件的電參數變化。為了從微觀層面探索界面態(tài)陷阱電荷產生差異的來源，Geant4（Geometry and Tracking）工具包被用來仿真質子入射后與柵氧介質的相互作用過程，Geant4是由歐洲核子中心開發(fā)的開源蒙特卡羅計算工具，在射線與物質相互作用的仿真計算上有很好的適用性與靈活性［20］。

通過SRIM軟件計算得到10 MeV質子在SiO2中的射程為709 μm，在Geant4中建立了2 cm×2 cm×709 μm的SiO2靶幾何模型，記錄質子在柵介質SiO2中的PKA相關信息。注冊的物理過程包括電磁物理過程G4hIonisation，質子彈性散射G4 HadronElastic，非彈性散射G4CascadeInterface，與核相關的物理過程G4IonElasticPhysics、G4 BinaryLightIonReaction，與γ相 關 的 物 理 過 程GammaNuclearPhysics，仿真粒子數為2×109。

沿入射深度的PKA數目如圖6所示，在SiO2中產生的PKA信息如表2所示，可以看到，入射深度較淺時，PKA數目較穩(wěn)定，隨入射深度增加，PKA數目緩慢上升，在射程尾部形成一個布拉格峰后迅速下降，這是由于隨著質子能量降低，散射截面的增加導致的。對于400 nm柵氧厚度的RADFETs，PKA在柵介質中呈相對均勻的分布。

圖6 10 MeV質子在SiO2中產生的PKA沿深度位置信息圖Fig.6 Change of the 10 MeV proton-induced PKA number with the depth in SiO2

表2 10 MeV質子入射SiO2模擬的PKA信息Table 2 PKA information generated by 10 MeV proton in SiO2

從仿真結果可以看到，質子在氧化層中引入了一定量的初級反沖原子，PKA相對均勻分布在氧化層中，最終PKA演化形成的位移缺陷會由PKA的種類、能量以及氧化層材料特性等因素決定。由于產生的反應截面很小，對器件而言，氧化層內部位移缺陷的作用并不明顯，而邊界處的陷阱捕獲電荷活動的影響較大，邊界處陷阱電荷對溝道載流子的影響也更大。

對于RADFETs而言，主要考慮其閾值電壓漂移量與累積劑量的關系。這部分影響是由柵氧化層中的輻射誘發(fā)陷阱電荷決定的。在工藝條件確定的情況下，柵氧介質中的陷阱數目一定。隨著累積劑量的增加，參與捕獲的陷阱數目越來越少，則RADEFTs的線性度會逐漸降低。但是我們發(fā)現經過質子輻照后再進行γ輻照，擬合得到的線性度參數并無減少，反而有增加的現象，同時分離得到的陷阱電荷也表現出增加的趨勢。我們認為是質子輻照引入的新的陷阱，使得捕獲過程并未減弱。仿真顯示PKA分布較為均勻，而陷阱電荷的分離說明臨近界面處的電荷影響更大，這是由于鄰近界面處捕獲的電荷對溝道的影響更大。

從實驗和仿真分析可以看到，RADFETs在空間混合場中的劑量響應與地面標定劑量存在一定誤差，RADFETs對10 MeV質子的劑量響應較差，且質子引入的缺陷會使得后續(xù)劑量響應發(fā)生變化，這部分誤差在進行相對劑量標定時可通過質子/電子通量模型進行修正或設計特定的劑量標定方案。

3 結語

針對RADFETs在地面標定使用60Co γ源而實際空間應用時的質子與電子輻射環(huán)境的差異性以及空間質子和γ復合場環(huán)境下的響應機制問題，本文通過質子和60Co γ的單獨及協和輻照實驗，探討了RADFETs對質子、特別是質子與60Co γ協和輻照的響應特性及機制。實驗表明：在柵壓為0 V和4 V的情況下，質子導致的ΔVth都小于γ輻照，質子輻照后RADFETs對γ響應的線性度略微增加。通過中帶電壓法和電荷泵法對陷阱電荷進行分離，發(fā)現質子輻照對鄰近界面的陷阱電荷影響較大，且存在柵壓時影響更大。Geant4仿真顯示，質子在RADFET的柵氧中均勻產生了PKA。因此，使用60Co標定的RADFETs在測量空間環(huán)境劑量時，需要考慮劑量的射線成分差異。研究認為，RADFETs對于質子的電離效應響應較差，但質子會引入一定的位移損傷，加劇鄰近界面處的陷阱電荷的影響。空間應用時可使用質子電子的通量模型對數據進行修正或設計特定的劑量標定方案。

作者貢獻聲明馬函負責文章的起草及最終版本修訂；孫靜負責實驗器件及實驗流程的相關內容；何承發(fā)負責研究的提出與設計；荀明珠提供了仿真方面的幫助。