搜索

x

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

电离辐射对部分耗尽绝缘体上硅器件低频噪声特性的影响

刘远 陈海波 何玉娟 王信 岳龙 恩云飞 刘默寒

引用本文:
Citation:

电离辐射对部分耗尽绝缘体上硅器件低频噪声特性的影响

刘远, 陈海波, 何玉娟, 王信, 岳龙, 恩云飞, 刘默寒

Radiation effects on the low frequency noise in partially depleted silicon on insulator transistors

Liu Yuan, Chen Hai-Bo, He Yu-Juan, Wang Xin, Yue Long, En Yun-Fei, Liu Mo-Han
PDF
导出引用
  • 本文针对辐射前后部分耗尽结构绝缘体上硅(SOI)器件的电学特性与低频噪声特性开展试验研究. 受辐射诱生埋氧化层固定电荷与界面态的影响, 当辐射总剂量达到1 M rad(Si) (1 rad = 10-2 Gy)条件下, SOI器件背栅阈值电压从44.72 V 减小至12.88 V、表面电子有效迁移率从473.7 cm2/V·s降低至419.8 cm2/V· s、亚阈斜率从2.47 V/dec增加至3.93 V/dec; 基于辐射前后亚阈斜率及阈值电压的变化, 可提取得到辐射诱生界面态与氧化层固定电荷密度分别为5.33×1011 cm- 2与2.36×1012 cm-2. 受辐射在埋氧化层-硅界面处诱生边界陷阱、氧化层固定电荷与界面态的影响, 辐射后埋氧化层-硅界面处电子被陷阱俘获/释放的行为加剧, 造成SOI 器件背栅平带电压噪声功率谱密度由7×10- 10 V2·Hz-1增加至1.8×10-9 V2 ·Hz-1; 基于载流子数随机涨落模型可提取得到辐射前后SOI器件埋氧化层界面附近缺陷态密度之和约为1.42×1017 cm-3·eV-1和3.66×1017 cm-3·eV-1. 考虑隧穿削弱因子、隧穿距离与时间常数之间关系, 本文计算得到辐射前后埋氧化层内陷阱电荷密度随空间分布的变化.
    The transfer characteristics and low-frequency noise behavior of partially depleted silicon on insulator n-channel metal-oxide-semiconductor transistors after γ-ray irradiation up to a total dose of 1M rad (Si) have been investigated in this paper. Due to the radiation-induced positive buried-oxide trapped charges and the interface traps, the back gate threshold voltage decreases from 44.72 to 12.88 V, and the electron field effect on mobility decreases from 473.7 to 419.8 cm2/V·s; while the sub-threshold swing increases from 2.47 to 3.93 V/dec. Based on the measurements of sub-threshold swing and the back gate threshold voltage, the variations of extracted radiation-induced buried oxide trapped charge and interface trap densities, are about 2.36×1012 cm-2 and 5.33×1011 cm-2 respectively. In addition, the normalized back gate flat-band voltage noise power spectral density is a sensitive function of radiation-induced buried oxide trapped charges and interface traps, which increases from 7×10-10 V2·Hz-1 to 1.8×10- 9 V2·Hz-1. According to the carrier number fluctuation model, the extracted trap density near the interface between channel and buried oxide increases from 1.42×1017 to 3.66×1017 cm- 3·eV-1. By considering the tunneling attenuation coefficient of the electron wave function and the tunneling depth of the electron in the buried oxide, the spatial distribution of trapped charges in the buried oxide before and after radiation are calculated and discussed.
    • 基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 61204112, 61204116)、中国博士后科学基金(批准号: 2012M521628) 和SOI 研发中心基金(批准号:62401110320) 资助的课题.
    • Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 61204112, 61204116), the China Postdoctoral Science Foundation (Grant No.2012M521628), and the SOI Research Institute Foundation of China (Grant No. 62401110320).
    [1]

    Schwank J R, Ferlet-Cavrois V, Shaneyfelt M R, Paillet P, Dodd P E 2003 IEEE Trans. Nucl. Sci. 50 522

    [2]

    Barnaby H J 2006 IEEE Trans. Nucl. Sci. 53 3103

    [3]

    Simoen E, Mercha A, Claeys C, Lukyanchikova N 2007 Solid-State Electron. 51 16

    [4]

    Jevtic M M 1995 Microelectron. Reliab. 35 455

    [5]

    Jayarman R, Sodini C G 1989 IEEE Trans. Electron. Dev. 36 1773

    [6]

    Fleetwood D M, Shaneyfelt M R, Schwank J R 1994 Appl. Phys Lett. 64 1965

    [7]

    Sun P, Du L, He L, Chen W H, Liu Y D, Zhao Y 2012 Acta Phys. Sin. 61 127808 (in Chinese) [孙鹏, 杜磊, 何亮, 陈文豪, 刘玉栋, 赵瑛 2012 61 127808]

    [8]

    Liu Y, Wu W J, Li B, En Y F, Wang L, Liu Y R 2014 Acta Phys. Sin. 63 098503 (in Chinese) [刘远, 吴为敬, 李斌, 恩云飞, 王磊, 刘玉荣 2014 63 098503]

    [9]

    Zhang B Q, Zheng Z S, Yu F, Ning J, Tang H M, Yang Z A 2013 Acta Phys. Sin. 62 117303 (in Chinese) [张百强, 郑中山, 于芳, 宁瑾, 唐海马, 杨志安 2013 62 117303]

    [10]

    Peng C, Hu Z Y, Ning B X, Huang H X, Zhang Z X, Bi D W, En Y F, Zou S C 2014 IEEE Electron. Dev. Lett. 35 503

    [11]

    Huang H X, Bi D W, Chen M, Zhang Z X, Wei X, Hu Z Y, Zhang Z X 2014 IEEE Trans. Nucl. Sci. 61 1400

    [12]

    Xiong H D, Fleetwood D M, Felix J A, Gusev E P, Emic C D 2003 Appl. Phys Lett.. 83 5232

    [13]

    Xiong H D, Jun B, Fleetwood D M, Schrimpf R D, Schwank 2004 IEEE Trans. Nucl. Sci. 51 3238

    [14]

    Ferlet-Cavrois V, Colladant T, Paillet P, Leray J L, Musseau O, Schwank J R, Shaneyfelt M R, Pelloie J L, de Poncharra J D 2000 IEEE Trans. Nucl. Sci. 47 2183

    [15]

    Jomaah J, Balestra 2004 IEE Proc. Circuits Devices Syst. 151 111

    [16]

    Liu Y, Wu W J, En Y F, Wang L, Lei Z F, Wang X H 2014 IEEE Electron. Dev. Lett. 35 369

    [17]

    Ioannidis E G, Tsormpatzoglou A, Tassis D H, Dimitriadis C A, Templier F, Kamarinos G 2010 J. Applied Phys. 108 106103

    [18]

    Rahal M, Lee M, Burdett A P 2002 IEEE Trans. Electron. Dev. 49 319

  • [1]

    Schwank J R, Ferlet-Cavrois V, Shaneyfelt M R, Paillet P, Dodd P E 2003 IEEE Trans. Nucl. Sci. 50 522

    [2]

    Barnaby H J 2006 IEEE Trans. Nucl. Sci. 53 3103

    [3]

    Simoen E, Mercha A, Claeys C, Lukyanchikova N 2007 Solid-State Electron. 51 16

    [4]

    Jevtic M M 1995 Microelectron. Reliab. 35 455

    [5]

    Jayarman R, Sodini C G 1989 IEEE Trans. Electron. Dev. 36 1773

    [6]

    Fleetwood D M, Shaneyfelt M R, Schwank J R 1994 Appl. Phys Lett. 64 1965

    [7]

    Sun P, Du L, He L, Chen W H, Liu Y D, Zhao Y 2012 Acta Phys. Sin. 61 127808 (in Chinese) [孙鹏, 杜磊, 何亮, 陈文豪, 刘玉栋, 赵瑛 2012 61 127808]

    [8]

    Liu Y, Wu W J, Li B, En Y F, Wang L, Liu Y R 2014 Acta Phys. Sin. 63 098503 (in Chinese) [刘远, 吴为敬, 李斌, 恩云飞, 王磊, 刘玉荣 2014 63 098503]

    [9]

    Zhang B Q, Zheng Z S, Yu F, Ning J, Tang H M, Yang Z A 2013 Acta Phys. Sin. 62 117303 (in Chinese) [张百强, 郑中山, 于芳, 宁瑾, 唐海马, 杨志安 2013 62 117303]

    [10]

    Peng C, Hu Z Y, Ning B X, Huang H X, Zhang Z X, Bi D W, En Y F, Zou S C 2014 IEEE Electron. Dev. Lett. 35 503

    [11]

    Huang H X, Bi D W, Chen M, Zhang Z X, Wei X, Hu Z Y, Zhang Z X 2014 IEEE Trans. Nucl. Sci. 61 1400

    [12]

    Xiong H D, Fleetwood D M, Felix J A, Gusev E P, Emic C D 2003 Appl. Phys Lett.. 83 5232

    [13]

    Xiong H D, Jun B, Fleetwood D M, Schrimpf R D, Schwank 2004 IEEE Trans. Nucl. Sci. 51 3238

    [14]

    Ferlet-Cavrois V, Colladant T, Paillet P, Leray J L, Musseau O, Schwank J R, Shaneyfelt M R, Pelloie J L, de Poncharra J D 2000 IEEE Trans. Nucl. Sci. 47 2183

    [15]

    Jomaah J, Balestra 2004 IEE Proc. Circuits Devices Syst. 151 111

    [16]

    Liu Y, Wu W J, En Y F, Wang L, Lei Z F, Wang X H 2014 IEEE Electron. Dev. Lett. 35 369

    [17]

    Ioannidis E G, Tsormpatzoglou A, Tassis D H, Dimitriadis C A, Templier F, Kamarinos G 2010 J. Applied Phys. 108 106103

    [18]

    Rahal M, Lee M, Burdett A P 2002 IEEE Trans. Electron. Dev. 49 319

  • [1] 吕玲, 邢木涵, 薛博瑞, 曹艳荣, 胡培培, 郑雪峰, 马晓华, 郝跃. 重离子辐射对AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管低频噪声特性的影响.  , 2024, 73(3): 036103. doi: 10.7498/aps.73.20221360
    [2] 张书豪, 袁章亦安, 乔明, 张波. 超薄屏蔽层300 V SOI LDMOS抗电离辐射总剂量仿真研究.  , 2022, 71(10): 107301. doi: 10.7498/aps.71.20220041
    [3] 闫大为, 田葵葵, 闫晓红, 李伟然, 俞道欣, 李金晓, 曹艳荣, 顾晓峰. GaN肖特基二极管的正向电流输运和低频噪声行为.  , 2021, 70(8): 087201. doi: 10.7498/aps.70.20201467
    [4] 王党会, 许天旱. 蓝紫光发光二极管中的低频产生-复合噪声行为研究.  , 2019, 68(12): 128104. doi: 10.7498/aps.68.20190189
    [5] 王硕, 常永伟, 陈静, 王本艳, 何伟伟, 葛浩. 新型绝缘体上硅静态随机存储器单元总剂量效应.  , 2019, 68(16): 168501. doi: 10.7498/aps.68.20190405
    [6] 赵金宇, 杨剑群, 董磊, 李兴冀. 氢气浸泡辐照加速方法在3DG111器件上的应用及辐射损伤机理分析.  , 2019, 68(6): 068501. doi: 10.7498/aps.68.20181992
    [7] 周悦, 胡志远, 毕大炜, 武爱民. 硅基光电子器件的辐射效应研究进展.  , 2019, 68(20): 204206. doi: 10.7498/aps.68.20190543
    [8] 杨剑群, 董磊, 刘超铭, 李兴冀, 徐鹏飞. Si3N4钝化层对横向PNP双极晶体管电离辐射损伤的影响机理.  , 2018, 67(16): 168501. doi: 10.7498/aps.67.20172215
    [9] 彭超, 恩云飞, 李斌, 雷志锋, 张战刚, 何玉娟, 黄云. 绝缘体上硅金属氧化物半导体场效应晶体管中辐射导致的寄生效应研究.  , 2018, 67(21): 216102. doi: 10.7498/aps.67.20181372
    [10] 刘远, 何红宇, 陈荣盛, 李斌, 恩云飞, 陈义强. 氢化非晶硅薄膜晶体管的低频噪声特性.  , 2017, 66(23): 237101. doi: 10.7498/aps.66.237101
    [11] 秦晨, 余辉, 叶乔波, 卫欢, 江晓清. 基于绝缘体上硅的一种改进的Mach-Zehnder声光调制器.  , 2016, 65(1): 014304. doi: 10.7498/aps.65.014304
    [12] 周航, 郑齐文, 崔江维, 余学峰, 郭旗, 任迪远, 余德昭, 苏丹丹. 总剂量效应致0.13m部分耗尽绝缘体上硅N型金属氧化物半导体场效应晶体管热载流子增强效应.  , 2016, 65(9): 096104. doi: 10.7498/aps.65.096104
    [13] 王党会, 许天旱, 王荣, 雒设计, 姚婷珍. InGaN/GaN多量子阱结构发光二极管发光机理转变的低频电流噪声表征.  , 2015, 64(5): 050701. doi: 10.7498/aps.64.050701
    [14] 李多芳, 曹天光, 耿金鹏, 展永. 电离辐射致植物诱变效应的损伤-修复模型.  , 2015, 64(24): 248701. doi: 10.7498/aps.64.248701
    [15] 王凯, 刘远, 陈海波, 邓婉玲, 恩云飞, 张平. 部分耗尽结构绝缘体上硅器件的低频噪声特性.  , 2015, 64(10): 108501. doi: 10.7498/aps.64.108501
    [16] 石艳梅, 刘继芝, 姚素英, 丁燕红, 张卫华, 代红丽. 具有L型源极场板的双槽绝缘体上硅高压器件新结构.  , 2014, 63(23): 237305. doi: 10.7498/aps.63.237305
    [17] 王爱迪, 刘紫玉, 张培健, 孟洋, 李栋, 赵宏武. Au/SrTiO3/Au界面电阻翻转效应的低频噪声分析.  , 2013, 62(19): 197201. doi: 10.7498/aps.62.197201
    [18] 李兴冀, 兰慕杰, 刘超铭, 杨剑群, 孙中亮, 肖立伊, 何世禹. 偏置条件对NPN及PNP双极晶体管电离辐射损伤的影响研究.  , 2013, 62(9): 098503. doi: 10.7498/aps.62.098503
    [19] 于思瑶, 郭树旭, 郜峰利. 半导体激光器低频噪声的Lyapunov指数计算和混沌状态判定.  , 2009, 58(8): 5214-5217. doi: 10.7498/aps.58.5214
    [20] 黄杨程, 刘大福, 梁晋穗, 龚海梅. 短波碲镉汞光伏器件的低频噪声研究.  , 2005, 54(5): 2261-2266. doi: 10.7498/aps.54.2261
计量
  • 文章访问数:  6745
  • PDF下载量:  318
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2014-09-23
  • 修回日期:  2014-11-09
  • 刊出日期:  2015-04-05

/

返回文章
返回
Baidu
map