馬 函孫 靜何承發(fā)荀明珠

1（中國科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所烏魯木齊830011）

2（中國科學(xué)院大學(xué)北京100049）

輻射敏感晶體管（Radiation Sensitive Field-Effect Transistors，RADFETs）是基于輻射導(dǎo)致P溝道金屬氧化物半導(dǎo)體（Positive channel Metal Oxide Semiconductor，PMOS）氧化層陷阱電荷變化的一種劑量計(jì)，也被稱為PMOS劑量計(jì)，最早由Holmes-Siedle提出［1］。經(jīng)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(diǎn)，RADFETs已被廣泛應(yīng)用于空間科學(xué)、放射醫(yī)學(xué)、核工業(yè)等各種場景［2-5］。

RADFETs在使用前需要進(jìn)行劑量刻度標(biāo)定，由于60Co γ射線被認(rèn)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(biāo)定通常都采用60Co γ射線源來進(jìn)行。然而，根據(jù)AE9/AP9/SPM模型，空間的電離輻射源主要以質(zhì)子（p）和電子（e）為主，內(nèi)輻射帶中質(zhì)子占比相對外輻射帶更高，太陽活動(dòng)也會(huì)改變質(zhì)子通量［7］，因此RADFETs在空間應(yīng)用時(shí)，需要考慮質(zhì)子的劑量響應(yīng)以及質(zhì)子輻照后對后續(xù)電子劑量響應(yīng)的影響。目前的研究結(jié)果認(rèn)為，RADFETs對不同質(zhì)子、電子以及γ的電離輻射響應(yīng)都能夠保持較好的線性響應(yīng)［5，8-9］，但這些研究結(jié)果都是在單一輻射源條件下實(shí)驗(yàn)得到的，并沒有考慮空間實(shí)際存在的不同入射粒子的共同作用所產(chǎn)生的協(xié)和問題。

因此，針對RADFETs在地面標(biāo)定使用60Co γ源而實(shí)際空間應(yīng)用時(shí)的質(zhì)子與電子輻射環(huán)境的差異性，以及質(zhì)子和60Co γ復(fù)合場環(huán)境下的響應(yīng)機(jī)制問題，本文分別進(jìn)行了單獨(dú)γ輻照實(shí)驗(yàn)和先質(zhì)子后γ的協(xié)和輻照實(shí)驗(yàn)，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(jié)合Geant4仿真PKA（Primary Knock-on Atom）的產(chǎn)生，對響應(yīng)的微觀物理機(jī)制進(jìn)行了解釋，為RADFETs的空間環(huán)境應(yīng)用提供了參考。

1 實(shí)驗(yàn)器件與過程

實(shí)驗(yàn)器件為Tyndall公司400 nm柵氧厚度的RADFETs，結(jié)構(gòu)如圖1所示［10］。輻照靈敏區(qū)為柵氧介質(zhì)，下端的支撐襯墊作為射線的背散射模體，與普通MOSFETs結(jié)構(gòu)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(yīng)更加靈敏。輻照器件根據(jù)柵壓條件分為兩組：一組輻照時(shí)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(jié)構(gòu)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?yàn)橄荣|(zhì)子后γ輻照，質(zhì)子劑量分別為0 krad（SiO2）、10 krad（SiO2）和20 krad（SiO2）。質(zhì)子劑量D通過線性能量轉(zhuǎn)移系數(shù)（Linear Energy Transfer，LET）換算：

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

2 結(jié)果分析與討論

2.1 閾值電壓漂移（ΔVth）

在每個(gè)劑量點(diǎn)，我們測試了器件的轉(zhuǎn)移特性曲線，通過最大跨導(dǎo)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(jié)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(diǎn)下，柵壓0 V時(shí)10 MeV質(zhì)子輻照導(dǎo)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(zhì)子和γ輻照電荷產(chǎn)額的差異導(dǎo)致的。柵壓為4 V時(shí)，ΔVth的變化量是0 V情況下的5～6倍，質(zhì)子導(dǎo)致的ΔVth與γ結(jié)果差異更大，即柵壓增加對質(zhì)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(jì)的基礎(chǔ)，是其閾值電壓隨著累積劑量的變化呈一定關(guān)系，在此選用Kimoto and Jaksic響應(yīng)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(yīng)呈線性關(guān)系。通過式（2）的擬合，得到不同實(shí)驗(yàn)組的擬合參數(shù)（表1），擬合曲線如圖2所示。4 V柵壓的結(jié)果與0 V結(jié)果相比，線性度參數(shù)n差異并不大，而靈敏度參數(shù)A升高5～8倍。10 MeV質(zhì)子輻照后再進(jìn)行γ輻照，RADFETs對γ射線的劑量響應(yīng)依然可以與Kimoto and Jaksic響應(yīng)模型較好的擬合，而且線性度n比單獨(dú)γ輻照的結(jié)果更高，殘差平方和（Residual Sum of Squares，RSS）更小。

表1 Kimoto and Jaksic響應(yīng)模型擬合參數(shù)Table 1 The fitting parameters of Kimoto and Jaksic model

質(zhì)子在SiO2中阻止本領(lǐng)較大，產(chǎn)生的電子-空穴對較γ更為密集，更加符合柱狀復(fù)合模型，復(fù)合率更高。因此逃出初始復(fù)合的空穴（即電荷產(chǎn)額）低，最后形成的陷阱電荷數(shù)目更少［6］，因此質(zhì)子的劑量響應(yīng)相對γ較差。柵壓為4 V的情況下，柵氧介質(zhì)中的電場會(huì)使得電子空穴對的1/r勢壘邊界發(fā)生畸變（Frenkel-Poole效應(yīng)），電子更容易逃離出勢壘范圍，使得電子-空穴對的復(fù)合變少，最終的電荷產(chǎn)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(fù)合機(jī)制來改變對器件參數(shù)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(jī)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(jià)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(dǎo)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(zhì)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(shè)中的空穴捕獲活動(dòng)來解釋［15］。從分離結(jié)果可以看到，質(zhì)子輻照導(dǎo)致的ΔNot明顯小于γ輻照后，原因是質(zhì)子輻照逃出初始復(fù)合的空穴數(shù)目更少［6］。在質(zhì)子輻照后進(jìn)行γ輻照的ΔNot在柵壓為0 V時(shí)差異并不大，柵壓為4 V時(shí)明顯觀察到ΔNot的顯著增加，考慮0 V柵壓的電荷產(chǎn)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(chǎn)額明顯增加，使得陷阱捕獲的空穴數(shù)顯著增加。

對于ΔNit的變化，目前的研究主要通過氫輸運(yùn)模型解釋［15-17］。在電子-空穴對產(chǎn)生復(fù)合以及輸運(yùn)過程中，柵氧介質(zhì)中會(huì)釋放一部分的氫，氫通過勢阱間的跳躍向SiO2/Si界面輸運(yùn)。在鄰近界面時(shí)，由于存在一個(gè)較大的勢壘，質(zhì)子會(huì)橫向輸運(yùn)，在橫向輸運(yùn)過程中可能被捕獲形成陷阱電荷。在柵壓為0 V時(shí)，ΔNit的變化不明顯，而柵壓為4 V時(shí)存在較大差異。質(zhì)子輻照后再進(jìn)行γ射線輻照時(shí)ΔNit的變化增強(qiáng)，可能是質(zhì)子引入了新的界面陷阱導(dǎo)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(jìn)行對比。

電荷泵法是在柵極加一個(gè)掃描電壓脈沖，使溝道在積累和反型狀態(tài)間不斷轉(zhuǎn)換，從而使漏源區(qū)的少數(shù)載流子在SiO2/Si界面陷阱上與襯底的多數(shù)載流子反復(fù)復(fù)合，由此產(chǎn)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(guān)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(jié)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(guān)系，質(zhì)子輻照導(dǎo)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(zhì)子輻照后再進(jìn)行γ輻照與全部γ輻照時(shí)的變化趨勢一致，沒有MGT分離的ΔNit變化增強(qiáng)現(xiàn)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(jié)果與中帶電壓法的結(jié)果存在一定 差 異，Ristic等［18-19］使 用 快 轉(zhuǎn) 換 態(tài) 陷 阱（Fast Switch Trap，F(xiàn)ST）和慢轉(zhuǎn)換態(tài)陷阱（Slow Switch Tarp，SST）進(jìn)行了解釋。CP法分離的界面態(tài)只包含F(xiàn)ST，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(jié)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(jié)果對比，可以認(rèn)為質(zhì)子使得鄰近界面處的陷阱捕獲空穴活動(dòng)增強(qiáng)，或者質(zhì)子在鄰近界面處引入了新的陷阱。為了討論質(zhì)子引入的陷阱情況，Geant4工具包被用來仿真質(zhì)子在SiO2中的初級反沖原子（Primary Knock-on Atom，PKA）產(chǎn)生過程。

2.3 Geant4仿真質(zhì)子在SiO2中的初級反沖原子產(chǎn)生

質(zhì)子除了電離效應(yīng)之外，還會(huì)在材料晶體中形成點(diǎn)缺陷或團(tuán)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(chǎn)生-復(fù)合中心或者捕獲中心，最終會(huì)導(dǎo)致器件的電參數(shù)變化。為了從微觀層面探索界面態(tài)陷阱電荷產(chǎn)生差異的來源，Geant4（Geometry and Tracking）工具包被用來仿真質(zhì)子入射后與柵氧介質(zhì)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(jì)算工具，在射線與物質(zhì)相互作用的仿真計(jì)算上有很好的適用性與靈活性［20］。

通過SRIM軟件計(jì)算得到10 MeV質(zhì)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(zhì)子在柵介質(zhì)SiO2中的PKA相關(guān)信息。注冊的物理過程包括電磁物理過程G4hIonisation，質(zhì)子彈性散射G4 HadronElastic，非彈性散射G4CascadeInterface，與核相關(guān)的物理過程G4IonElasticPhysics、G4 BinaryLightIonReaction，與γ相 關(guān) 的 物 理 過 程GammaNuclearPhysics，仿真粒子數(shù)為2×109。

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

圖6 10 MeV質(zhì)子在SiO2中產(chǎn)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(zhì)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(jié)果可以看到，質(zhì)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(huì)由PKA的種類、能量以及氧化層材料特性等因素決定。由于產(chǎn)生的反應(yīng)截面很小，對器件而言，氧化層內(nèi)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(dòng)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(guān)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(zhì)中的陷阱數(shù)目一定。隨著累積劑量的增加，參與捕獲的陷阱數(shù)目越來越少，則RADEFTs的線性度會(huì)逐漸降低。但是我們發(fā)現(xiàn)經(jīng)過質(zhì)子輻照后再進(jìn)行γ輻照，擬合得到的線性度參數(shù)并無減少，反而有增加的現(xiàn)象，同時(shí)分離得到的陷阱電荷也表現(xiàn)出增加的趨勢。我們認(rèn)為是質(zhì)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(shí)驗(yàn)和仿真分析可以看到，RADFETs在空間混合場中的劑量響應(yīng)與地面標(biāo)定劑量存在一定誤差，RADFETs對10 MeV質(zhì)子的劑量響應(yīng)較差，且質(zhì)子引入的缺陷會(huì)使得后續(xù)劑量響應(yīng)發(fā)生變化，這部分誤差在進(jìn)行相對劑量標(biāo)定時(shí)可通過質(zhì)子/電子通量模型進(jìn)行修正或設(shè)計(jì)特定的劑量標(biāo)定方案。

3 結(jié)語

針對RADFETs在地面標(biāo)定使用60Co γ源而實(shí)際空間應(yīng)用時(shí)的質(zhì)子與電子輻射環(huán)境的差異性以及空間質(zhì)子和γ復(fù)合場環(huán)境下的響應(yīng)機(jī)制問題，本文通過質(zhì)子和60Co γ的單獨(dú)及協(xié)和輻照實(shí)驗(yàn)，探討了RADFETs對質(zhì)子、特別是質(zhì)子與60Co γ協(xié)和輻照的響應(yīng)特性及機(jī)制。實(shí)驗(yàn)表明：在柵壓為0 V和4 V的情況下，質(zhì)子導(dǎo)致的ΔVth都小于γ輻照，質(zhì)子輻照后RADFETs對γ響應(yīng)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(jìn)行分離，發(fā)現(xiàn)質(zhì)子輻照對鄰近界面的陷阱電荷影響較大，且存在柵壓時(shí)影響更大。Geant4仿真顯示，質(zhì)子在RADFET的柵氧中均勻產(chǎn)生了PKA。因此，使用60Co標(biāo)定的RADFETs在測量空間環(huán)境劑量時(shí)，需要考慮劑量的射線成分差異。研究認(rèn)為，RADFETs對于質(zhì)子的電離效應(yīng)響應(yīng)較差，但質(zhì)子會(huì)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(yīng)用時(shí)可使用質(zhì)子電子的通量模型對數(shù)據(jù)進(jìn)行修正或設(shè)計(jì)特定的劑量標(biāo)定方案。

作者貢獻(xiàn)聲明馬函負(fù)責(zé)文章的起草及最終版本修訂；孫靜負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)器件及實(shí)驗(yàn)流程的相關(guān)內(nèi)容；何承發(fā)負(fù)責(zé)研究的提出與設(shè)計(jì)；荀明珠提供了仿真方面的幫助。