GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)器件具有抗高频、耐高温、大功率、抗辐射等特性, 在核反应堆、宇宙探测等辐射环境中具有广阔的应用前景。借助 SRIM软件仿真 1.8 MeV质子辐射对不同 AlGaN势垒层纵向尺寸下的常规耗尽型器件内部产生空位密度的影响, 并观察空位密度随深度的变化规律。在最优 AlGaN势垒层厚度条件下, 通过仿真对比 5种不同栅氧层材料的 MIS-HEMT器件, 发现氮化铝(AlN)栅氧层材料具有相对较好的抗辐射效果。

电荷耦合器件(CCD)是用于空间光电系统可见光成像的图像传感器, 在空间应用环境下受辐射效应作用导致 CCD性能退化甚至失效。对于 CCD空间辐射效应的地面模拟试验研究, 辐照试验中 CCD采用合适的偏置条件是分析其空间辐射损伤的必要措施。由于 CCD对质子辐照导致的电离总剂量效应和位移损伤效应均非常敏感, 因此针对 CCD空间应用面临的电离总剂量效应和位移损伤效应威胁, 开展不同辐照偏置下 CCD的辐射效应及损伤机理研究。针对一款国产埋沟 CCD器件, 开展不同偏置条件下的 γ射线和质子辐照试验, 获得了 CCD的暗电流、光谱响应等辐射敏感参数的电离总剂量效应, 位移损伤效应退化规律以及辐照偏置对 CCD辐射效应的影响机制。研究表明, γ射线辐照下 CCD的偏置产生重要影响, 质子辐照下没有明显的偏置效应。根据 CCD结构和辐照后的退火试验结果, 对 CCD的辐射效应损伤机理进行分析。

开展不同温度下碳化硅(SiC)金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)总剂量效应研究。采用 60 Coγ射线对三款国内外生产的 SiC MOSFET器件进行总剂量辐照试验, 获得器件阈值电压、击穿电压、导通电阻、漏电流等参数分别在 25 ℃,100 ℃,175 ℃下的辐射损伤特性, 比较器件在不同温度下辐照后器件的退化程度。仿真实验结果表明, 不同器件的阈值电压、静态漏电流以及亚阈特性等辐射损伤变化都表现出对环境温度的敏感性, 而导通电阻、击穿电压等则相对不敏感。此外 SiC MOSFET总剂量辐射响应特性对环境温度的敏感性, 还随生产厂家的不同而呈现明显差异性。分析认为, 在其他条件相同情况下, 器件的阈值电压、静态漏电等参数的退化程度随着辐照温度的升高而降低, 主要是由于高温辐照时器件发生隧穿退火效应引起。

针对纳米金属-氧化物-半导体(MOS)器件中采用的高介电常数 HfO2栅介质, 开展电离总剂量效应对栅介质经时击穿特性影响的研究。以 HfO2栅介质 MOS电容为研究对象, 进行不同栅极偏置条件下 60 Co-γ射线的电离总剂量辐照试验, 对比辐照前后 MOS电容的电流-电压、电容-电压以及经时击穿特性的测试结果。结果显示, 不同的辐照偏置条件下, MOS电容的损伤特性不同。正偏辐照下, 低栅压下的栅电流显著增大, 电容电压特性的斜率降低; 零偏辐照下, 正向高栅压时栅电流和电容均显著增大; 负偏辐照下, 栅电流均有增大, 正向高栅压下电容增大, 且电容斜率降低。3种偏置下, 电容的经时击穿电压均显著减小。该研究为纳米 MOS器件在辐射环境下的长期可靠性研究提供了参考。

为了深入研究 H2和 H2O进入氧化层后对双极器件辐射效应的影响机制, 以栅控双极晶体管为研究载体, 分别开展了不同浓度 H2浸泡中的辐照试验和温湿度试验后的总剂量辐照试验。试验结果表明, 随着氢气浸泡浓度的增加, 器件的抗辐射能力逐渐降低; 而温湿度试验后, 由于水汽的进入, 器件在随后的辐照试验过程中辐射损伤呈增大趋势。在此基础上, 利用栅控栅扫描法进行氧化层辐射感生缺陷的定量分离, 发现 H2和 H2O进入器件氧化层后, 均会造成辐射感生界面陷阱电荷 Nit的增加, 并在一定程度上降低辐射感生氧化物陷阱电荷 Not的量, 结合理论分析进一步给出了 H2和 H2O造成器件损伤增强的潜在机制。研究成果对于辐射环境用电子系统的抗辐射性能评价和应用具有参考意义。

基于第六代 650 V碳化硅结型肖特基二极管 (SiC JBS Diode)和第三代 900 V碳化硅场效应晶体管 (SiC MOSFET), 开展 SiC功率器件的单粒子效应、总剂量效应和位移损伤效应研究。 20~80 MeV质子单粒子效应实验中, SiC功率器件发生单粒子烧毁 (SEB)时伴随着波浪形脉冲电流的产生, 辐照后 SEB器件的击穿特性完全丧失。 SiC功率器件发生 SEB时的累积质子注量随偏置电压的增大而减小。利用计算机辅助设计工具 (TCAD)开展 SiC MOSFET的单粒子效应仿真, 结果表明, 重离子从源极入射器件时, 具有更短的 SEB发生时间和更低的 SEB阈值电压。栅 -源拐角和衬底 -外延层交界处为 SiC MOSFET的 SEB敏感区域, 强电场强度和高电流密度的同时存在导致敏感区域产生过高的晶格温度。 SiC MOSFET在栅压偏置 (UGS =3 V,UDS =0 V)下开展钴源总剂量效应实验, 相比于漏压偏置 (UGS =0 V,UDS =300 V)和零压偏置 (UGS =UDS =0 V), 出现更严重的电学性能退化。利用中带电压法分析发现, 栅极偏置下氧化层内的垂直电场提升了陷阱电荷的生成率, 加剧了阈值电压的退化。中子位移损伤会导致 SiC JBS二极管的正向电流和反向电流减小。在漏极偏置下进行中子位移损伤效应实验, SiC MOSFET的电学性能退化最严重。该研究为空间用 SiC器件的辐射效应机理及抗辐射加固研究提供了一定的参考和支撑。

基于中国原子能科学研究院的 HI-13加速器, 利用不同线性能量传输(LET)值的重离子束流对 4款来自不同厂家的 90 nm特征尺寸 NOR型 Flash存储器进行了重离子单粒子效应试验研究, 对这些器件的单粒子翻转(SEU)效应进行了评估。试验中分别对这些器件进行了静态和动态测试, 得到了它们在不同 LET值下的 SEU截面。结果表明高容量器件的 SEU截面略大于低容量的器件; 是否加偏置对器件的翻转截面几乎无影响; 两款国产替代器件的 SEU截面比国外商用器件高。国产替代器件 SEU效应的 LET阈值在 12.9 MeV·cm2/mg附近, 而国外商用器件 SEU效应的 LET阈值处于 12.9~32.5 MeV·cm2/mg之间。此外, 针对单粒子和总剂量效应对试验器件的协同作用也开展了试验研究, 试验结果表明总剂量累积会增加 Flash存储器的 SEU效应敏感性, 分析认为总剂量效应产生的电离作用导致了浮栅上结构中的电子丢失和晶体管阈值电压的漂移, 在总剂量效应作用的基础上 SEU更容易发生。

针对锗硅异质结双极晶体管(SiGe HBT), 采用半导体三维器件数值仿真工具, 建立单粒子效应三维损伤模型, 研究 SiGe HBT单粒子效应的损伤机理, 以及空间极端环境与器件不同工作模式耦合作用下的单粒子效应关键影响因素。分析比较不同条件下离子入射器件后, 各端口瞬态电流的变化情况, 仿真实验结果表明, 不同工作电压下, 器件处于不同极端温度、不同离子辐射环境, 其单粒子瞬态的损伤程度有所不同, 这与器件内部在不同环境下的载流子电离情况有关。