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多晶硅发射极高速双极晶体管质子单粒子效应

李培 韩承相 何子杰 董志勇 何欢 贺朝会 魏佳男

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多晶硅发射极高速双极晶体管质子单粒子效应

李培, 韩承相, 何子杰, 董志勇, 何欢, 贺朝会, 魏佳男

Proton single-event effects in high-speed polysilicon-emitter bipolar transistors

LI Pei, HAN Chengxiang, HE Zijie, DONG Zhiyong, HE Huan, HE Chaohui, WEI Jianan
Article Text (iFLYTEK Translation)
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  • 随着半导体工艺的发展, 具有深沟槽隔离(DTI)技术的双极晶体管因其优异的电气性能和隔离效果, 逐步应用于性能和集成度要求更高的先进半导体器件. 现有的双极晶体管单粒子效应研究表明, 深沟槽隔离技术会导致双极器件产生新的单粒子效应机制. 本文针对深沟槽隔离结构的多晶硅发射极双极晶体管, 开展了质子入射角度对其单粒子效应的影响研究. 实验结果表明, 质子入射角度会显著影响晶体管集电极的单粒子瞬态电压脉冲振幅. 利用Sentaurus TCAD软件模拟了多晶硅发射极双极晶体管的单粒子效应电荷收集过程, 根据模拟结果分析了深沟槽隔离器件的灵敏体积, 并基于Geant4蒙特卡罗模拟方法开展了质子不同角度入射深沟槽器件灵敏体积的模拟, 结果表明, 次级离子在灵敏体积内的积分截面会随着入射角度的增加而增大, 为深沟槽隔离双极晶体管的单粒子效应抗辐射加固提供了理论支撑.
    Deep-trench isolation (DTI) bipolar transistors have been increasingly adopted in high-performance, highly integrated advanced semiconductor devices due to their superior electrical characteristics and isolation capabilities. However, existing research has shown that DTI bipolar transistors exhibit a lower linear energy transfer (LET) threshold for single-event effects (SEEs) and a larger saturated cross-section than traditional structures, making the traditional rectangular parallelepiped (RPP) model unsuitable for such devices.In this study, we investigate the influence of proton incidence angle on single-event effects in high-speed DTI bipolar transistors. Proton multi-angle irradiation experiments reveal that the incidence angle significantly changes the amplitude characteristics of single-event transient voltage pulses at the collector. By introducing a nested sensitive volume in TCAD numerical simulations, the sensitive region of the DTI device is accurately defined. Geant4 simulations further demonstrate that with the increase of proton incidence angle, the integral cross-section of secondary ions in the sensitive volume significantly increases, which is determined to be the primary reason for the voltage amplitudes at the collector and base increasing with augment of tilt angle. This work provides theoretical support for radiation hardening of DTI bipolar transistors against single-event effects.
  • 图 1  DPSA NPN晶体管剖面结构

    Fig. 1.  Cross-sectional structure of the DPSA NPN transistor.

    图 2  不同入射角度下质子引起的基极和集电极的瞬态电压脉冲随时间的变化

    Fig. 2.  Transient voltage pulse of base and collector vs. time, induced by protons at different incidence angles.

    图 3  不同入射角度质子引起的集电极与基极瞬态电压脉冲幅度随时间的变化

    Fig. 3.  Changes of collector and base transient voltage pulse amplitude with time caused by protons at different incident angles.

    图 4  PE BJT器件模型与电学特性曲线 (a) PE BJT模型仿真截面; (b) 仿真器件与实验器件的Gummel特性曲线

    Fig. 4.  PE BJT device model and electrical characteristics: (a) Cross-sectional view of the PE BJT simulation model; (b) Gummel characteristics comparison between simulated and experimental devices.

    图 5  TCAD模拟重离子入射位置分布示意图

    Fig. 5.  Distribution of heavy ion incidence in TCAD simulation.

    图 6  TCAD模拟重离子入射不同位置后集电极电流与电荷收集的变化 (a) 离子不同位置入射时集电极瞬态电流随时间的变化关系; (b) 集电极电荷收集量随离子入射位置的变化关系

    Fig. 6.  TCAD Simulation of collector current and charge collection under heavy-ion strikes at different positions: (a) Transient collector current vs. time for ion strikes at different locations; (b) collected charge as a function of ion strike position.

    图 7  仿真所得PE BJT器件单粒子效应灵敏体积分布 (a) 俯视图; (b) 侧视图

    Fig. 7.  Simulated sensitive volume distribution of the PE BJT device under single-event effects: (a) Top view; (b) side view.

    图 8  质子多角度入射PE BJT灵敏体积Geant4仿真示意图 (a) 0°入射; (b) 30°入射; (c) 45°入射; (d) 60°入射

    Fig. 8.  Geant4 simulation schematic of the sensitive volume in a PE BJT under proton irradiation at different angles: (a) 0° incidence; (b) 30° incidence; (c) 45° incidence; (d) 60° incidence.

    图 9  不同入射角度下质子入射时积分截面随灵敏体积中电离能量沉积的变化

    Fig. 9.  Integrated cross sections of proton induced at different angles vs ionizing energy deposition in the sensitive volume.

    表 1  不同灵敏区域电荷收集效率

    Table 1.  Charge collection efficiency in different sensitivity regions.

    灵敏区域电荷收集效率/%
    SV131.84
    SV214.14
    SV37.99
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    表 2  60 MeV质子多角度入射后产生的次级粒子信息

    Table 2.  Information on secondary particles generated by 60 MeV proton incidence at multiple angles.

    次级粒子种类
    (0°/30°/45°/60°)
    最高能量/MeV
    (0°/30°/45°/60°)
    LET/(MeV·cm2·mg–1)
    (0°/30°/45°/60°)
    射程/μm
    (0°/30°45°/60°)
    Si8.1/5.9/6.5/6.612.4/11.6/11.9/11.94.2/3.4/3.6/3.7
    P6.1/3.2/3.3/3.211.3/9.2/9.3/9.23.5/2.3/2.4/2.3
    O11.1/8.3/2.2/6.76.8/7.0/6.5/7.17.8/6.1/2.4/5.1
    Ne11.3/7.0/9.9/10.28.9/8.6/8.8/8.96.9/4.8/6.2/6.4
    Na11.9/9.5/8.9/7.610.3/10.2/10.8/10.06.7/5.7/5.5/4.9
    Mg11.5/9.3/8.5/9.011.4/11.2/11.0/11.16.2/5.4/5.1/5.3
    Al8.2/8.3/7.1/7.311.3/11.4/11.0/11.14.8/4.9/4.4/4.5
    F(仅30°入射)1.25.21.6
    下载: 导出CSV
  • [1]

    Pease R L 2003 IEEE Tran. Nucl. Sci. 50 539Google Scholar

    [2]

    李培, 郭红霞, 郭旗, 文林, 崔江维, 王信, 张晋新 2015 物理学报 64 118502Google Scholar

    Li P, Guo H X, Guo Q, Wen L, Cui J W, Wang X, Zhang J X 2015 Acta Phys. Sin. 64 118502Google Scholar

    [3]

    彭超, 雷志锋, 张鸿, 张战刚, 何玉娟 2022 原子能科学技术 56 2187Google Scholar

    Peng C, Lei Z F, Zhang H, Zhang Z G, He Y J 2022 Atom. Energy Sci. Tech. 56 2187Google Scholar

    [4]

    Rung R D, Momose H, Nagakubo Y 1982 1982 International Electron Devices Meeting San Francisco, USA, December 13-15, 1982 p237

    [5]

    罗志伟 2022 硕士学位论文(杭州: 浙江大学)

    Luo Z W 2022 M. S. Thesis (Hangzhou: Zhejiang University

    [6]

    李志栓, 汤光洪, 於广军, 杨新刚, 杨富宝 2016 半导体技术 41 933

    Li Z S, Yang G H, Yu G J, Yang X G, Yang F B 2016 Semicond. Tech. 41 933

    [7]

    Reed R A, Marshall P W, Ainspan H, Marshall C J, Kim H S, Cressler J D, Niu G, LaBel K A 2001 2001 IEEE Radiation Effects Data Workshop. NSREC 2001. Workshop Record. Held in Conjunction with IEEE Nuclear and Space Radiation Effects Conference (Cat. No. 01TH8588) p172

    [8]

    Duzellier S, Falguere D, Mouliere L, Ecoffet R, Buisson J 1995 IEEE Tran. Nucl. Sci. 42 1797Google Scholar

    [9]

    Dodd P E, Schwank J R, Shaneyfelt M R, Felix J A, Paillet P, Ferlet-Cavrois V, Baggio J, Reed R A, Warren K M, Weller R A, Schrimpf R D, Hash G L, Dalton S M, Hirose K, Saito H 2007 IEEE Tran. Nucl. Sci. 54 2303Google Scholar

    [10]

    黄建国, 韩建伟, 林云龙, 黄治, 路秀琴, 张新, 符长波, 郭继宇, 赵葵 2002 空间科学学报 268

    Huang J G, Han J W, Lin Y L, Huang Z, Lu X Q, Zhang X, Fu C B, Guo J Y, Zhao K 2002 Chin. J. Space Sci. 268

    [11]

    Enrique J M, Robert A R, Jonathan A P, Michael L A, Ronald D S, Robert A W, Muthubalan V, Niu G F, Akil K S, Ryan D, Gustavo E, Ramkumar K, Jonathan P C, John D C, Paul W M, Gyorgy V 2008 IEEE Tran. Nucl. Sci. 55 1581Google Scholar

    [12]

    Stanley D P, Akil K S, Aravind A, Marco B, John D C, Alex G, Gyorgy V, Paul D, Mike M, Robert R, Paul M 2009 IEEE International Reliability Physics Symposium p157-164

    [13]

    赖祖武, 1998 抗辐射电子学: 辐射效应及加固原理(北京: 国防工业出版社)第16 —18页

    Lai Z W 1998 Radiation Effects and Hardening Techniques (Beijing: National Defense Industry Press) pp16—18

    [14]

    Gregory B L, Gwyn C W 1974 Proce. IEEE 62 1264Google Scholar

    [15]

    韩郑生, 2011 抗辐射集成电路概论(北京: 清华大学出版社)第8页

    Han Z S 2011 Introduction to Radiation Hardened Integrated Circuit (Beijing: Tsinghua University Press) p8

    [16]

    李培, 贺朝会, 郭红霞, 张晋新, 魏佳男, 刘默寒 2022 太赫兹科学与电子信息学报 20 523Google Scholar

    Li P, He C H, Guo H X, Zhang J X, Wei J N, Liu M H 2022 J. Terahertz Sci. Electron. Inf. Technol. 20 523Google Scholar

    [17]

    魏佳男, 张小磊, 冯治华, 张培健, 傅婧, 付晓君 2023 微电子学 53 945

    Wei J N, Zhang X L, Feng Z H, Zhang J P, Fu Q, Fu X J 2023 Microelectronics 53 945

    [18]

    Sutton Akil K, Moen K, Cressler J D, Carts M A, Marshall P W, PellishJ A, Ramachandran V, Reed R A, Alles M L, Niu G 2008 Solid-State Electronics 52 1652Google Scholar

    [19]

    刘默寒, 陆妩, 贾金成, 施炜雷, 王信, 李小龙, 孙静, 郭旗, 吴雪, 张培健 2018 核技术 41 48Google Scholar

    Liu M H, Lu W, Jia J C, Shi W L, Wang X, Li X L, Sun J, Guo Q, Wu X, Zhang P J 2018 Nucl. Techn. 41 48Google Scholar

    [20]

    贾金成, 陆妩, 吴雪, 张培健, 孙静, 王信, 李小龙, 刘默寒, 郭旗, 刘元 2018 微电子学 48 120

    Jia J C, Lu W, Wu X, Zhang P J, Sun J, Wang X, Li X L, Liu M H, Guo Q, Liu Y 2018 Microelectronics 48 120

    [21]

    史一凡 2021 硕士学位论文(西安: 西安理工大学)

    Shi Y F 2021 M. S. Thesis (Xi’an: Xi’an University of Technology

    [22]

    冯亚辉 2024 硕士学位论文(湘潭: 湘潭大学)

    Feng Y H 2024 M. S. Thesis (Xiangtan: Xiangtan University

    [23]

    张晋新, 郭红霞, 文林, 郭旗, 崔江维, 范雪, 肖尧, 席善斌, 王信, 邓伟 2013 强激光与粒子束 25 2433Google Scholar

    Zhang J X, Guo H X, Wen Lin, Guo Q, Cui J W, Fan X, Xiao Y, Xi S B, Wang X Deng W 2013 High Power Laser Part. Beams 25 2433Google Scholar

    [24]

    张晋新, 郭红霞, 吕玲, 王信, 潘霄宇 2022 太赫兹科学与电子信息学报 20 869Google Scholar

    Zhang J X, Guo H X, Lu L, Wang X, Pan X Y 2022 J. Terahertz Sci. Electron. Inf. Technol. 20 869Google Scholar

    [25]

    Jonathan A P, Robert A R, Akil K S, , Paul W M, Cheryl J M, Ramkumar K, John D C, Marcus H M, Ronald D S, Kevin M W, Brian D S, Niu G F 2007 IEEE Tran. Nucl. Sci. 54 2322

    [26]

    曾超, 许献国, 钟乐 2023 太赫兹科学与电子信息学报 21 452Google Scholar

    Zeng C, Xu X G, Zhong L 2023 J. Terahertz Sci. Electron. Inf. Technol. 21 452Google Scholar

  • [1] 张幸, 刘玉林, 李刚, 燕少安, 肖永光, 唐明华. 更正: 基于55 nm DICE结构的单粒子翻转效应模拟研究[物理学报 2024, 73(6): 066103]. 物理学报, doi: 10.7498/aps.73.079901
    [2] 张幸, 刘玉林, 李刚, 燕少安, 肖永光, 唐明华. 基于55 nm DICE结构的单粒子翻转效应模拟研究. 物理学报, doi: 10.7498/aps.73.20231564
    [3] 李洋帆, 郭红霞, 张鸿, 白如雪, 张凤祁, 马武英, 钟向丽, 李济芳, 卢小杰. 双沟槽SiC 金属-氧化物-半导体型场效应管重离子单粒子效应. 物理学报, doi: 10.7498/aps.73.20231440
    [4] 杨卫涛, 武艺琛, 许睿明, 时光, 宁提, 王斌, 刘欢, 郭仲杰, 喻松林, 吴龙胜. 碲镉汞红外焦平面阵列图像传感器空间质子位移损伤及电离总剂量效应Geant4仿真. 物理学报, doi: 10.7498/aps.73.20241246
    [5] 李培, 董志勇, 郭红霞, 张凤祁, 郭亚鑫, 彭治钢, 贺朝会. SiGe BiCMOS低噪声放大器激光单粒子效应研究. 物理学报, doi: 10.7498/aps.73.20231451
    [6] 琚安安, 郭红霞, 张凤祁, 刘晔, 钟向丽, 欧阳晓平, 丁李利, 卢超, 张鸿, 冯亚辉. N阱电阻的单粒子效应仿真. 物理学报, doi: 10.7498/aps.72.20220125
    [7] 崔艺馨, 马英起, 上官士鹏, 康玄武, 刘鹏程, 韩建伟. 空间用GaN功率器件单粒子烧毁效应激光定量模拟技术研究. 物理学报, doi: 10.7498/aps.71.20212297
    [8] 傅婧, 蔡毓龙, 李豫东, 冯婕, 文林, 周东, 郭旗. 质子辐照下正照式和背照式图像传感器的单粒子瞬态效应. 物理学报, doi: 10.7498/aps.71.20211838
    [9] 李薇, 白雨蓉, 郭昊轩, 贺朝会, 李永宏. InP中子位移损伤效应的Geant4模拟. 物理学报, doi: 10.7498/aps.71.20211722
    [10] 罗尹虹, 张凤祁, 郭红霞, Wojtek Hajdas. 基于重离子试验数据预测纳米加固静态随机存储器质子单粒子效应敏感性. 物理学报, doi: 10.7498/aps.69.20190878
    [11] 黎华梅, 侯鹏飞, 王金斌, 宋宏甲, 钟向丽. HfO2基铁电场效应晶体管读写电路的单粒子翻转效应模拟. 物理学报, doi: 10.7498/aps.69.20200123
    [12] 琚安安, 郭红霞, 张凤祁, 郭维新, 欧阳晓平, 魏佳男, 罗尹虹, 钟向丽, 李波, 秦丽. 铁电存储器中高能质子引发的单粒子功能中断效应实验研究. 物理学报, doi: 10.7498/aps.67.20181225
    [13] 罗尹虹, 张凤祁, 王燕萍, 王圆明, 郭晓强, 郭红霞. 纳米静态随机存储器低能质子单粒子翻转敏感性研究. 物理学报, doi: 10.7498/aps.65.068501
    [14] 曾骏哲, 何承发, 李豫东, 郭旗, 文林, 汪波, 玛丽娅, 王海娇. 电荷耦合器件在质子辐照下的粒子输运仿真与效应分析. 物理学报, doi: 10.7498/aps.64.114214
    [15] 赵雯, 郭晓强, 陈伟, 邱孟通, 罗尹虹, 王忠明, 郭红霞. 质子与金属布线层核反应对微纳级静态随机存储器单粒子效应的影响分析. 物理学报, doi: 10.7498/aps.64.178501
    [16] 张晋新, 贺朝会, 郭红霞, 唐杜, 熊涔, 李培, 王信. 不同偏置影响锗硅异质结双极晶体管单粒子效应的三维数值仿真研究. 物理学报, doi: 10.7498/aps.63.248503
    [17] 张晋新, 郭红霞, 郭旗, 文林, 崔江维, 席善斌, 王信, 邓伟. 重离子导致的锗硅异质结双极晶体管单粒子效应电荷收集三维数值模拟. 物理学报, doi: 10.7498/aps.62.048501
    [18] 张科营, 郭红霞, 罗尹虹, 何宝平, 姚志斌, 张凤祁, 王园明. 静态随机存储器单粒子翻转效应三维数值模拟. 物理学报, doi: 10.7498/aps.58.8651
    [19] 吴 鹏, 韩一平, 刘德芳. 大粒子对高斯波束散射的数值模拟. 物理学报, doi: 10.7498/aps.54.2676
    [20] 仇韵清, 夏蒙棼. 单波驱动的过渡粒子效应. 物理学报, doi: 10.7498/aps.37.666
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出版历程
  • 收稿日期:  2025-03-04
  • 修回日期:  2025-04-24
  • 上网日期:  2025-05-16

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