基于PXI标准的功率器件总剂量效应测试系统研制

设计了一款针对功率器件的总剂量效应测试系统。该系统基于外围组件互连(PXI)扩展主机系统,设计了测试板卡,并通过设计不同工艺的半导体功率器件测试工装,实现功率器件的批量自动化测试。结果表明,氮化镓工艺的功率器件的耐总剂量效应优于硅和碳化硅工艺的功率器件的。

石墨烯场效应晶体管的X射线总剂量效应

本文针对不同结构、尺寸的石墨烯场效应晶体管(graphene field effect transistors,GFET)开展了基于10 keV-X射线的总剂量效应研究.结果表明,随累积剂量的增大,不同结构GFET的狄拉克电压V_(Dirac)和载流子迁移率μ不断退化;相比于背栅型GFET,顶栅型GFET的辐射损伤更加严重;尺寸对GFET器件的总剂量效应决定于器件结构;200μm×200μm尺寸的顶栅型GFET损伤最严重,而背栅型GFET是50μm×50μm尺寸的器件损伤最严重.研究表明:对于顶栅型GFET,辐照过程中在栅氧层中形成的氧化物陷阱电荷的积累是V_(Dirac)和μ降低的主要原因.背栅型GFET不仅受到辐射在栅氧化层中产生的陷阱电荷的影响,还受到石墨烯表面的氧吸附的影响.在此基础上,结合TCAD仿真工具实现了顶栅器件氧化层中辐射产生的氧化物陷阱电荷对器件辐射响应规律的仿真.相关研究结果对于石墨烯器件的抗辐照加固研究具有重大意义.

N型MOSFET器件总剂量效应通用测试系统设计

抗辐照电机驱动器研发需要准确获取电桥电路金属-氧化物半导体场效应晶体管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,MOSFET)器件的总剂量效应失效阈值,电流-电压、电容-电压等离线测试方法,无法真实反映器件开关性能随累积剂量增加的连续变化过程。因此,针对MOSFET器件总剂量效应的在线测试需求,设计了基于高速信号采集及存储的通用化测试系统,具备被测样品驱动、高频信号采集、高速数据存储、数据模块管理等功能。利用典型商用MOSFET器件开展了总剂量效应测试,结果显示,当吸收剂量达598.08±41.54 Gy(Si)时,样品采集方波波形开始出现异常,低电平电压升高至0.82 V,高电平电压始终正常;随着累积剂量的增大,低电平电压持续性升高至1.08 V,并进一步升高至1.24 V,但器件开关功能保持正常;当累积剂量达1775.41±219.68 Gy(Si)时,采集波形跳变为2.93 V的直线,无方波信号输出,经判断MOSFET开关功能完全受损。

基于硅通孔的三维微系统互联结构总剂量效应损伤机制研究

垂直硅通孔(TSV)作为三维集成微系统的核心技术之一,可以通过多个平面层器件的垂直堆叠有效降低互联延迟,提高集成密度,减少芯片功耗。利用^(60)Co γ射线实验装置,以自主设计的基于TSV的三维互联结构作为实验对象,进行了总剂量效应敏感性分析。实验发现,随着累积辐照剂量的增加,TSV信号通道的插入损耗(S_(21))减小,回波损耗(S_(11))增大,信号传输效率不断降低。结果表明,总剂量效应诱发TSV内部寄生MOS结构产生氧化层陷阱电荷和界面态陷阱电荷导致了寄生MOS电容C-V曲线出现“负漂”现象,由此引起的信号通道特征阻抗不连续是TSV出现信号完整性问题的内在机制。基于RLGC等效电路模型,利用Keysight ADS仿真软件验证了TSV内部寄生MOS电容总剂量效应的辐射响应规律。

基于X射线晶圆在线辐照实验的16 nm n-FinFETs总剂量效应模型研究

建立了基于X射线晶圆在线辐照实验的16 nm FinFET总剂量效应模型,并对模型的有效性进行了验证。将辐照后器件等效为一个主晶体管与辐射导致的若干寄生晶体管并联,通过改变寄生晶体管的参数对辐照中的物理机制进行了模拟。对不同鳍片数量的内核(core)和输入输出(input output,IO)n-FinFET建立了能够描述器件在不同漏源电压下工作性能的模型,仿真结果与实验数据对比表明,所建立的模型的相对均方根偏差小于15%。

CMOS集成电路总剂量效应加固技术研究现状

在核设施运行、乏燃料后处理、可控核聚变、航天卫星与太空探索、核军工、γ辐照站等存在强辐射的场景下,高能粒子、射线会与器件中的半导体材料相互作用产生辐射效应,对信号的完整性和精度产生较大影响。本文首先介绍了总剂量效应(TID)的作用机制,及其在MOS器件中的主要影响:总剂量效应会导致MOS管阈值电压漂移、跨导下降、载流子迁移率降低和电流额外泄漏等问题。其次,按照时间顺序依次阐述了近代以来总剂量效应在半导体器件特别是是CMOS器件中的具体影响,尤其对浅槽隔离氧化物(Shallow Trench Isolation, STI)受到总剂量效应的影响做了着重描述。最后,分析了在电路级中的总剂量效应,以及目前流行的几种抗辐射加固技术。

辐照偏置影响深亚微米MOS器件总剂量效应的理论研究

由理论公式推导出辐照偏压影响MOS器件总剂量效应宏观电学参数的解析表达,并给出器件仿真结果加以验证。在总剂量效应未达到饱和的情况下,截止态漏电流由辐照偏压和累积剂量的关系式唯一确定。引入等效累积剂量的概念,用于将MOS器件实际工作中的各类偏置映射为最劣偏置状况,进而利用实测数据求取对应的电学响应。所得单管解析表达式应用到电路仿真中能反映电路在不同偏置情况下的总剂量效应,可用于甄别电路的最劣辐照偏置状态。

TCD132D线阵CCD总剂量效应的实验分析

研究了60Coγ辐照TCD132D线阵CCD的总剂量效应实验结果;分析了CCD受总剂量效应影响后暗信号和饱和输出电压的典型波形;得出了CCD分别在不加偏置电压、加偏置电压加驱动信号和加偏置电压不加驱动信号三种工作状态下,受60Coγ辐照后暗信号电压和饱和输出电压随总剂量累积的变化规律,并进行了损伤机理分析。

STI场区加固NMOS器件总剂量效应

基于0.18μm CMOS工艺开发了浅槽隔离(STI)场区抗总剂量辐射加固技术,采用离子注入技术使STI/衬底界面处的P型硅反型阈值提高,从而增强NMOS器件的抗辐射能力。实验表明,加固NMOS器件在500 krad(Si)剂量点时,阈值电压无明显漂移,漏电流保持在10-12量级,其抗辐射性能明显优于非加固NMOS器件。通过STI场区加固工艺的研究,可有效提高电路的抗总剂量辐射能力,同时避免设计加固造成芯片面积增大的问题。

典型VDMOSFET单粒子效应及电离总剂量效应研究

利用252Cf源和60Coγ射线源对典型VDMOSFET进行单粒子效应和电离总剂量效应模拟试验,给出典型VDMOSFET的单粒子烧毁(SEB)、单粒子栅穿(SEGR)效应测量结果以及不同偏置条件下漏源击穿电压随辐照剂量的变化情况。结果表明,VDMOSFET对SEB和SEGR效应以及VDMOSFET漏源击穿电压对电离总剂量效应比较敏感,空间应用时需重点考虑VDMOSFET的抗SEB和SEGR能力;考核VDMOSFET的抗电离总剂量效应能力时对阈值电压和击穿电压等敏感参数应重点关注。

剂量率对MOSFET器件总剂量效应的影响

选取典型的星用功率MOSFET器件JANTXV 2N6798和JANTXV 2N7261为研究对象,就剂量率对MOSFET器件总剂量效应的影响进行试验研究。在试验中,选取钴-60γ射线,以不同剂量率进行辐照试验。通过试验研究,获得了被试器件阈值电压、漏电流和击穿电压随总剂量率的变化特性。结果表明,低剂量率更易引起器件损伤。

三端稳压器的总剂量效应

本文对电子系统中通用的集成三端稳压器在不同负载条件下做60Coγ电离辐照试验来研究它的性能变化和抗总剂量特征。试验结果发现,稳压器的输出电压、最大负载电流等都为敏感参数,变化较明显;但不同器件间的抗总剂量水平不同。因此,设计工作在辐射环境中的电路时,尽量选用固定输出的三端稳压器,且最大负载电流保留一定设计余量,在辐照后仍能满足电路系统的需求。

CMOS电路总剂量效应最劣偏置甄别

采用电路分析和解析建模方法研究了CMOS电路中甄别总剂量效应最劣辐照与测试偏置的问题。通过引入小规模模拟电路和数字电路的例子进行具体分析,获取了不同电路的最劣偏置情况。对于数字电路,引入了敏感因子的概念用于定量计算不同辐照与测试偏置组合下电路的总剂量效应敏感程度。利用实测数据或电路仿真结果对甄别结果进行了一一验证,得到相一致的结论,证明了该研究思路的正确性。

双极型晶体管总剂量效应的统计特性

双极型晶体管的总电离剂量辐照效应主要体现在基极电流(IB)的退化,其作用机理是电离辐射在SiO_(2)中及Si/SiO_(2)界面作用导致的氧化物陷阱电荷面密度(Not)和界面陷阱电荷面密度(Nit)的增长.本文基于定制设计的栅控横向PNP晶体管,开展了大样本、多剂量点的电离总剂量效应实验,获得了双极型晶体管I_(B),N_(ot),N_(it)的分散性及其随总剂量变化的统计特性,初步建立了晶体管损伤分散性与Not分散性的关联.该研究成果可以有效支撑双极型电路辐射可靠性的机理研究与定量评估.

星用功率MOSFET器件总剂量效应试验研究

本文针对星用功率MOSFET器件JANTXV 2N7261和SR7262V,进行了钴-60γ射线辐照试验研究。在γ射线辐照过程中,采用JT?1型晶体管特性图示仪和计算机控制的摄像机,实时监测器件电参数随辐照剂量变化的特征,通过试验研究获得了被试器件阈值电压、漏电流和击穿电压随总剂量变化的特征照片和曲线,得出被试器件的抗总剂量水平。

Burn-in对SRAM器件电离总剂量效应的影响

针对辐照前高温老练(Burn-in)影响SRAM器件的抗总剂量辐射能力问题,进行了实验研究。选取了3种不同工艺尺寸SRAM存储器,利用60 Co放射源对经过高温老炼和不经过高温老炼(No Burnin)的样品进行了总剂量辐照实验,测量了辐照引起的SRAM器件的数据位翻转数,得到了Burn-in对不同工艺尺寸SRAM器件总剂量效应的影响规律。针对0.25μm工艺SRAM器件开展了不同Burn-in温度影响器件抗辐射能力的实验研究,得到了器件抗辐射性能与Burn-in温度之间的关系。结果表明,SRAM器件的工艺尺寸越小,抗总剂量能力越强,且受Burn-in的影响越小;Burn-in时的温度越高,对器件的抗总剂量水平影响越大。

新型微电子技术电离辐射总剂量效应面临的挑战

随着器件特征尺寸的不断减小,在器件结构和工艺上采取了新的措施。分析了STI(shallo★trench isolation)隔离导致器件电离辐射总剂量效应的损伤机理;对不同工艺集成电路的抗总剂量TII(Total Ionizing Dose)能力进行了比较分析;对近来比较关注的重离子引起的微剂量效应进行了介绍;最后对可能替代体硅器件的新型器件总剂量效应能力进行了预估。

MOS器件脉冲总剂量效应时间关联响应的模拟计算

本文建立了MOS器件脉冲总剂量效应时间关联响应的计算模型,包括空穴输运引起的短期恢复、深层俘获空穴引起的长期恢复以及界面态的长期建立,详细讨论了俘获空穴空间分布的差异对退火响应的影响以及温度差异对界面态建立的影响。计算结果和试验测量值符合较好,表明建立的计算模型是正确的。

深亚微米N沟道MOS晶体管的总剂量效应

为了研究深亚微米工艺CCD的辐射效应特性,了解因器件特征尺寸变小引入的新效应,对0.18μm商用工艺线上流片的不同沟道宽长比的N型沟道MOSFET器件进行了60Co-γ射线辐照实验,这些NMOSFET与CCD内的MOSFET结构相同。分析了辐照后由于总剂量效应导致的NMOSFET参数退化情况以及参数的常温和高温退火行为。实验结果表明,深亚微米工艺器件的辐射耐受性相比大尺寸器件明显增强,不同沟道宽长比的器件表现出的总剂量效应差异显示了器件具有明显的窄沟效应,界面陷阱电荷在新型器件的总剂量效应中起主导作用。研究结果为大面阵CCD的辐射效应研究和辐射加固设计提供了理论支持。

甲基苯基乙烯基硅橡胶电离总剂量效应

甲基苯基乙烯硅橡胶具有耐高低温、防震等独特优势,在航天器的减震、密封等领域具有广泛应用前景。研究了甲基苯基乙烯基硅橡胶的电离总剂量效应。结果表明,随着辐射剂量的增加,甲基苯基乙烯基硅橡胶的力学性能出现了不同程度的退化。拉伸强度和撕裂强度变化规律以1×106 Gy(Si)剂量点为分界点。低于该剂量,拉伸和撕裂随剂量增加快速下降;高于该剂量时,随辐照剂量增加,拉伸强度出现一定程度反弹,呈现出宽"U"形,而撕裂强度则是先增加后下降。拉断伸长率和邵氏硬度A随辐照剂量增加分别出现快速下降和增加,最终接近饱和。最后,从辐射交联和裂解方面讨论了甲基苯基乙烯基硅橡胶电离总剂量效应的潜在物理机制。