化合物半导体器件的辐射效应

半导体器件辐射效应及抗辐射加固随着空间技术和国防科技的不断发展，半导体器件在航空、航天、军事等领域的应用越来越广泛。

然而，半导体器件在受到空间辐射后会产生各种效应，如离子注入、光刻、蚀刻等，这些效应会导致器件性能下降甚至失效。

为了提高半导体器件的可靠性，抗辐射加固技术成为了研究热点。

半导体器件受到辐射后，会产生各种效应。

其中，离子注入是一种常见的辐射效应，它是指高能离子在半导体中注入并形成堆积层，从而导致器件性能下降。

光刻则是指辐射引起的半导体表面形态变化，它会导致器件的几何形状和尺寸发生变化，进而影响性能。

蚀刻也是辐射效应之一，它是指辐射引起的半导体表面物质损失和形貌变化，进而导致器件性能下降。

为了应对半导体器件的辐射效应，各种抗辐射加固技术应运而生。

材料选择是一种有效的加固方法。

通过选择具有优良抗辐射性能的材料，如碳化硅、砷化镓等，可以显著提高半导体器件的抗辐射能力。

结构优化也是一种有效的抗辐射加固技术。

例如，通过优化器件的结构，可以降低辐射对器件性能的影响。

减少剂量率也是一种可行的加固方法。

通过降低辐射剂量率，可以减少器件受到的辐射损伤，从而提高器件的可靠性。

为了比较各种加固技术效果，我们选取了一种常见的半导体器件——互补金属氧化物半导体（CMOS）进行实验研究。

我们采用材料选择方法，分别选用碳化硅和硅材料制作CMOS器件。

实验结果表明，碳化硅材料的CMOS器件性能更稳定，抗辐射能力更强。

然后，我们采用结构优化方法，对CMOS器件的结构进行了优化设计。

优化后的CMOS 器件在受到辐射后，性能下降幅度明显减小。

我们采用减少剂量率方法，降低了辐射剂量率。

实验结果显示，降低剂量率后，CMOS器件的性能更加稳定。

本文对半导体器件的辐射效应及抗辐射加固技术进行了深入探讨。

通过实例分析，我们发现材料选择、结构优化和减少剂量率等抗辐射加固技术均能有效地提高半导体器件的抗辐射能力，从而提高器件的可靠性。

其中，材料选择是最为关键的加固方法，它直接决定了器件的抗辐射性能。

宇宙射线对半导体器件影响的研究近年来，随着半导体器件的广泛应用和信号处理的要求不断提高，对于宇宙射线对半导体器件的影响研究也越来越受到关注。

由于宇宙射线能够产生较高的能量，对于半导体器件的影响也更为严重。

因此，如何减轻或避免宇宙射线对半导体器件的影响，成为了科学家们的研究方向。

首先，我们来看一下宇宙射线的组成和特征。

宇宙射线是来自宇宙空间的高速粒子，这些粒子包括质子、α粒子、重离子和光子等。

它们能够穿过大气层、云层和建筑物等物体，并对电子器件产生较大的影响。

宇宙射线的轨道高度越高，影响的程度也越大。

在现代半导体器件中，全球范围内每天接受到的宇宙射线剂量在几千个自然电荷单位（nCeu）以上，因此，对于半导体器件的影响也必须引起足够的重视。

其次，我们来分析宇宙射线对半导体器件的影响。

宇宙射线照射在半导体器件上主要有两种影响：辐射效应和电磁效应。

辐射效应是指宇宙射线和其他粒子的能量在半导体表面释放时导致的影响。

辐射效应包括电离和捕获效应。

电磁效应是指宇宙射线和其他粒子与半导体中电荷的相互作用导致的影响。

电磁效应包括静电效应和磁气效应。

具体来说，辐射效应会使半导体中的载流子浓度减少，从而导致电阻率增高、寿命缩短和噪声增大等问题。

电磁效应则会引起电场电荷累积、反向漏电流增大、噪声增加等问题。

此外，辐照还会使器件的表面及界面产生缺陷，并进一步影响器件性能。

那么，如何降低宇宙射线对半导体器件的影响呢？目前，方案有两种：一是通过控制工艺，提高器件的可靠性；二是通过选择合适的材料、结构和加工条件等方式来减轻辐射损伤。

在选择材料时，高禁带宽和低活化能的材料更容易受到宇宙射线的影响。

而选择适当的加工条件和器件结构，比如减薄层结构、增加氧化层厚度、减少漏电流等方法，则可以有效地减轻宇宙射线对器件的影响。

值得一提的是，近年来，利用宇宙射线进行半导体探测器检测应用的领域也在不断扩展。

在探测器制造中，由于宇宙线的穿透力强，在粒子检测中发挥着重要作用。

第五章半导体中的光辐射和光吸收1. 名词解释：带间复合、杂质能级复合、激子复合、等电子陷阱复合、表面复合。

带间复合：在直接带隙的半导体材料中，位于导带底的一个电子向下跃迁，同位于价带顶的一个空穴复合，产生一个光子，其能量大小正好等于半导体材料E。

的禁带宽度g浅杂质能级复合：杂质能级有深有浅，那些位置距离导带底或价带顶很近的浅杂质能级，能与价带之间和导带之间的载流子复合为边缘发射，其光子能量总E小。

比禁带宽度g激子复合：在某些情况下，晶体中的电子和空穴可以稳定地结合在一起，形成一个中性的“准粒子”，作为一个整体存在，即“激子”。

在一定条件下，这些激子中的电子和空穴复合发光，而且效率可以相当高，其复合产生的光子能量小E。

于禁带宽度g等电子陷阱复合：由于等电子杂质的电负性和原子半径与基质原子不同，产生了一个势场，产生由核心力引起的短程作用势，从而形成载流子的束缚态，即陷阱能级，可以俘获电子或空穴，形成等电子陷阱上的束缚激子。

由于它们是局域化的，根据测不准关系，它们在动量空间的波函数相当弥散，电子和空穴的波函数有大量交叠，因而能实现准直接跃迁，从而使辐射复合几率显著提高。

表面复合：晶体表面的晶格中断，产生悬链，能够产生高浓度的深的或浅的能级，它们可以充当复合中心。

通过表面的跃迁连续进行表面复合，不会产生光子，因而是非辐射复合。

2. . 什么叫俄歇复合，俄歇复合速率与哪些因素有关？为什么长波长的InGaAsP 等材料的俄歇复合比短波长材料严重？为什么俄歇复合影响器件的J th 、温度稳定性和可靠性？ 解析：● 俄歇效应是一个有三粒子参与、涉及四个能级的非辐射复合的效应。

在半导体中，电子与空穴复合时，把能量或者动量通过碰撞转移给第三个粒子跃迁到更高能态，并与晶格反复碰撞后失去能量。

这种复合过程叫俄歇复合.整个过程中能量守恒，动量也守恒。

●半导体材料中带间俄歇复合有很多种，我们主要考虑CCHC 过程（两个导带电子与一个重空穴）和CHHS 过程（一个导带电子和两个重空穴）。

第20卷第6期2022年6月Vol.20，No.6Jun.，2022太赫兹科学与电子信息学报Journal of Terahertz Science and Electronic Information Technology锗硅异质结双极晶体管空间辐射效应研究进展李培1，贺朝会*1，郭红霞2，张晋新3，魏佳男4，刘默寒5(1.西安交通大学核科学与技术学院，陕西西安710049；2.西北核技术研究院，陕西西安710024；3.西安电子科技大学空间科学与技术学院，陕西西安710126；4.模拟集成电路国家重点实验室，重庆400060；5.中国科学院特殊环境功能材料与器件重点实验室，新疆乌鲁木齐830011)摘要：异质结带隙渐变使锗硅异质结双极晶体管(SiGe HBT)具有良好的温度特性，可承受-180~+200℃的极端温度，在空间极端环境领域具有诱人的应用前景。

然而，SiGe HBT器件由于材料和工艺结构的新特征，其空间辐射效应表现出不同于体硅器件的复杂特征。

本文详述了SiGe HBT的空间辐射效应研究现状，重点介绍了国产工艺SiGe HBT的单粒子效应、总剂量效应、低剂量率辐射损伤增强效应以及辐射协同效应的研究进展。

研究表明，SiGe HBT作为双极晶体管的重要类型，普遍具有较好的抗总剂量和位移损伤效应的能力，但单粒子效应是制约其空间应用的瓶颈问题。

由于工艺的不同，国产SiGe HBT还表现出显著的低剂量率辐射损伤增强效应响应和辐射协同效应。

关键词：锗硅异质结双极晶体管；单粒子效应；总剂量效应；低剂量率辐射损伤增强效应；电离总剂量/单粒子效应协同效应；电离总剂量/位移损伤协同效应中图分类号：TN325文献标志码：A doi：10.11805/TKYDA2021443Advance in space radiation effects of SiGe heterojunction bipolar transistorsLI Pei1，HE Chaohui*1，GUO Hongxia2，ZHANG Jinxin3，WEI Jia'nan4，LIU Mohan5(1.Department of Nuclear Science and Technology，Xi'an Jiaotong University，Xi'an Shaanxi710049，China；2.Northwest Institute of Nuclear Technology，Xi'an Shaanxi710024，China；3.School of Aerospace Science and Technology，Xidian University，Xi'an Shaanxi 710126，China；4.National Key Laboratory of Analog Integrated Circuits，Chongqing400060，China；5.Key Laboratory of Functional Materials and Devices for Special Environments of Chinese Academy of Sciences，Urumqi Xinjiang830011，China)AbstractAbstract：：Silicon-Germanium Heterojunction Bipolar Transistors(SiGe HBTs)is a strong contender for space applications in extreme environment on account of its superior temperature characteristics,which can bear extreme temperatures from-180℃to200℃owing to the bandgap grading of heterojunction.Because of new features in material,structure and process,the radiation effects of SiGe HBTs presentcomplex characteristics which are different from those of bulk-Si devices.In this work,the researchdynamics and trends of space radiation effects in SiGe HBTs are introduced,and the radiation effects ofdomestic SiGe HBTs include Single Event Effects(SEE),Total Ionizing Dose(TID)effect,Enhanced LowDose Rate Sensitivity(ELDRS)and synergistic effect are highlighted.The research shows that SiGe HBTnaturally presents favorable build-in TID and displacement damage hardness without any radiationhardening,but the high sensitivity to SEE is a main drawback.Due to the different manufacturingprocesses,the domestic SiGe HBTs experience significant low dose rate sensitivity and are vulnerable tocombined effect of ionizing dose/displacement damage and total ionizing dose on single event effect.KeywordsKeywords：：SiGe heterojunction bipolar transistors；Single Event Effects；Total Ionizing Dose effect；Enhanced Low Dose Rate Sensitivity；synergistic effect of total ionizing dose and single eventeffect；synergistic effects of ionizing dose and displacement damage文章编号：2095-4980(2022)06-0523-12收稿日期：2021-12-30；修回日期：2022-03-21基金项目：国家自然科学基金资助项目(12005159)；强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室开放课题资助项目(SKLIPR2010)*通信作者：贺朝会email:*******************太赫兹科学与电子信息学报第20卷锗硅异质结外延生长技术首次实现了硅基的能带工程，Ge 的引入带来了一系列器件性能的提升[1-3]。

辐射效应中的总剂量效应和单粒⼦效应
总剂量效应 TID
γ光⼦或⾼能离⼦在集成电路的材料中电离产⽣电⼦空⽳对. 电⼦空⽳随即发⽣复合、扩散和漂
移,最终在氧化层中形成氧化物陷阱电荷或者在氧化层与半导体材料的界⾯处形成界⾯陷阱电荷,使
器件的性能降低甚⾄失效. γ光⼦或⾼能离⼦在单位质量的材料中电离沉积的能量称作剂量,单位rad
或Gy.随着剂量的增加,器件性能逐渐降低;当剂量积累到⼀定程度时, 器件功能失效. 因此, 这种现象
称为电离总剂量效应。

对⼀个元器件来讲，有三个参数决定了元器件所受辐射的类型及强度：
1，粒⼦辐射积分通量单位为粒⼦/平⽅厘⽶。

2，剂量率，它表明了单位时间内材料从⾼能辐射环境中吸收的能量，其单位为拉德/秒(rad/s)
3，总剂量，它是材料从⾼能环境中吸收的能量，单位为拉德（硅）（rad/（Si））.
单粒⼦效应
Single event effect，⼜称单事件效应。

⾼能带电粒⼦在器件的灵敏区内产⽣⼤量带电粒⼦的现象。

它属于电离效应。

当能量⾜够⼤的粒⼦射⼊集成电路时，由于电离效应（包括次级粒⼦的），产⽣数量极多的电离空⽳⼀电⼦对，引起半导体器件的软错误，使逻辑器件和存储器产⽣单粒⼦翻转，CMOS器件产⽣单粒⼦闭锁，甚⾄出现单粒⼦永久损伤的现象。

集成度的提⾼、特征尺⼨降低、临界电荷和有效LED阈值下降等会使执单粒⼦扰动能⼒降低。

器件的抗单粒⼦翻转能⼒明显与版图设计、⼯艺条件等因素有关。

SEE 单粒⼦效应
SEL 单事件/粒⼦闭锁 Single Event Latch-up
SEU 单事件/粒⼦翻转 Single Event Upset。

半导体器件抗辐射特性研究及其应用探究随着半导体器件在现代电子技术中的广泛应用，面临的辐射环境也越来越严峻，尤其是在航空航天、核能、卫星等高辐射环境下，半导体器件的抗辐射特性显得极其重要。

因此，对半导体器件的抗辐射性能进行研究和探究，对于促进半导体器件的发展和应用具有重大的意义。

一、半导体器件抗辐射特性研究1. 辐射引起的半导体器件损伤半导体器件在辐射环境中会受到电离辐射和非电离辐射的影响。

电离辐射主要是指高能粒子、中子和γ射线等带电粒子的影响，它们可以激发、电离、断键甚至严重破坏半导体器件中的原子和分子结构；非电离辐射主要是指紫外线、X射线和电场辐射等电磁波的影响，它们通过热效应、绝缘层击穿等方式来影响半导体器件的性能。

辐射引起的半导体损伤主要表现为电性能参数的变化和结构损伤。

其中，电性能参数的变化如电流增大、电压漏失、增益下降等，结构损伤如空隙和缺陷的形成、管子损坏等。

2. 半导体器件抗辐射特性研究方法研究半导体器件的抗辐射特性，实验是其中最为重要的手段。

实验方法包括辐射后退火、快速载流子注入、辐射诱导电子注入等。

其中，辐射后退火实验是比较常见的方法。

该方法是将半导体器件进行一定的辐射后，再进行高温热处理，进而研究器件的性能参数变化。

此外，还可以使用快速载流子注入技术，通过大电流注入来模拟辐射引起的损伤，研究器件损伤後的快速修复和慢性损伤的积累。

3. 半导体器件抗辐射特性研究进展半导体器件的抗辐射特性研究在我国的发展趋势中，日益表现出了两方面：一方面，随着半导体器件在电子、信息技术等领域的广泛应用，对其抗辐射性能的要求不断提高，研究正日益走向深入。

另一方面，伴随着我国航空航天事业的发展，卫星、探测器等高科技产品的需求不断提高。

因此，卫星等高科技产品对于半导体器件的辐射抗性要求更高，研究在这方面的需求也日益增长。

二、半导体器件抗辐射特性应用探讨1. 航空航天领域在航空航天领域，半导体器件所承受的辐射环境相对较为严苛，必须具有高稳定性和较强的抗辐射能力，以保证产品的可靠性。

束缚在杂质能级上的电子或空穴也可以引起光的吸收。

电子可以吸收光子跃迁到导带能级；光电导灵敏度一般定义为单位光照度所引起的光电导。

复合和陷阱效应对光电导的影响少数载流子陷阱作用多数载流子陷阱作用本征光电导的光谱分布指对应于不同的波长，光电导响应灵敏度的变化关系。

杂质光电导对于杂质半导体，光照使束缚于杂质能级上的电子或空穴电离，因而增加了导带或价带的载流子浓度，产生杂质光电导。

4半导体的光生伏特效应当用适当波长的光照射非均匀半导体（pn结等）时，由于内建电场的作用（不加外电场），半导体内部产生电动势（光生电压）；如将pn结短路，则会出现电流（光生电流）。

这种由内建场引起的光电效应，称为光生伏特效应。

pn结的光生伏特效应由于pn结势垒区内存在较强的内建场（自n区指向p区），结两边的光生少数载流子受该场的作用，各自向相反方向运动：p区的电子穿过pn结进入n区；n区的空穴进入p区，使p端电势升高，n端电势降低，于是pn结两端形成了光生电动势，这就是pn结的光生伏特效应。

光电池的电流电压特性5半导体发光1.处于激发态的电子可以向较低的能级跃迁，以光辐射的形式释放能量。

也就是电子从高能级向低能级跃迁，伴随着发射光子。

这就是半导体的发光现象。

2.产生光子发射的主要条件是系统必须处于非平衡状态，即在半导体内需要有某种激发过程存在，通过非平衡载流子的复合，才能形成发光。

3.发光过程：电致发光（场致发光）、光致发光和阴极发光。

其中电致发光是由电流（电场）激发载流子，是电能直接转变为光能的过程。

辐射跃迁从高能态到低能态：1.有杂质或缺陷参与的跃迁2.带与带之间的跃迁3.热载流子在带内跃迁上面提到，电子从高能级向较低能级跃迁时，必须释放一定的能量。

如跃迁过程伴随着放出光子，这种跃迁称为辐射跃迁。

GaN基半导体材料与HEMT器件辐照效应探究引言：随着电子器件的快速进步，尤其是在高功率、高频率和高温环境中的应用需求增加，GaN（氮化镓）材料作为一种新型半导体材料，因其具有优异的物理性能而备受关注。

GaN基高电子迁移率晶体管（High Electron Mobility Transistor，HEMT）器件作为GaN材料的一种重要应用，具有高功率密度、高频率特性和低电压运行等优势，因此在通信、雷达、无线电等领域中有广泛应用。

然而，辐照效应作为半导体器件在高辐射环境下的响应问题，对于GaN基材料及其HEMT器件的性能稳定性和可靠性具有重要影响。

因此，对于GaN基半导体材料与HEMT器件辐照效应的探究显得尤为重要。

1. GaN材料的基本特性GaN材料具有宽带隙、高饱和漂移速度、高热导率和抗辐照能力等特点，这使得它在高功率和高频率应用中具有优势。

GaN材料的能带结构决定了其优异的物理性能，包括高电子迁移率、高饱和漂移速度和高电子浓度等。

此外，GaN材料具有优异的热导率和抗辐射能力，使其在高温环境下具有较好的稳定性。

2. 辐照对GaN材料性能的影响辐照是指在高能粒子或电磁辐射的作用下，材料内部发生结构变化或电学性能发生变化的过程。

由于高能粒子的辐照会产生位错、束缚态等缺陷，这些缺陷会影响GaN材料的物理性能，导致性能下降。

另外，电离辐射也会导致GaN材料中载流子密度的变化，从而影响器件的电学性能。

3. GaN基HEMT器件辐照效应探究3.1 辐照引起的表面态在高能粒子的辐照下，表面上会形成大量的气体分子、氧化物、原子氮等杂质，这些杂质在表面形成气体分子，导致表面态的形成。

表面态的引入会使HEMT器件的电流漏向表面，从而导致器件性能下降。

3.2 辐照引起的漂移道失效GaN基HEMT器件中的漂移区是电子的主要运动通道，是器件性能的关键部分。

由于杂质辐射效应，漂移区中的氮、硅等杂质元素与GaN基材料形成化学反应，会导致漂移区材料的退化，从而影响器件电流密度和迁移率等性能。