Радіаційна стійкість тестових npn транзисторів ІС з діелектричною ізоляцією, виготовлених на кремнії, ізовалентно легованому германієм (SiGe)
DOI:
https://doi.org/10.20535/RADAP.2023.91.72-78Ключові слова:
підвищення радіаційної стійкості, npn структура, α-опромінення, легування кремнію германієм, рівень легування ізовалентною домішкою, деградація коефіцієнта підсиленняАнотація
Cклалася суперечлива оцінка можливості застосування германія (Ge) для підвищення радіаційної стійкості однорідно легованого ізовалентною домішкою кремнію (Si). У ряді публікацій показано, що існує лише обмежений вплив легування германієм на радіаційну стійкість pn-структури при високоенергетичному електронному опроміненні. Одночасно, спостерігається помітне покращення радіаційної стійкості npnp-структур, виготовлених на SiGe при γ-опроміненні. З метою зняття протиріччя проведене порівняння радіаційної деградації β тестових біполярних транзисторних npn структур інтегральних схем (ІС), виготовлених за однаковою технологією, «кремній з діелектричною ізоляцією», на ізовалентно легованому германієм кремнії, SiGe, з різним вмістом Ge, NGe=1,2·1019…1,2·1020 см-3. Коефіцієнт статичного посилення β виміряний до та після опромінення α-частинками. Опромінення не корпусованих npn-структур α-частинками з енергією 4,5 МеВ, проведене у спеціально спроектованій та виготовленій лабораторній установці з використанням радіоізотопних джерел; експериментально досліджено npn-структури з двома товщинами бази, 0,25 і 0,35 мкм. Залежність, що апроксимує експериментальні дані β(Φα) – рівняння, що описує зміну коефіцієнта посилення транзисторної npn структури при α-опроміненні, отримана з використанням програми OriginPRO. Результати для npn структур с товщиною бази 0,25 мкм показують сильну нелінійну залежність рівнянь β(Φα) від NGe. Деградація коефіцієнта посилення контрольних транзисторів, виготовлених за стандартною технологією (NGe=0), описується S-образною залежністю. Опромінення npn структур, сформованих на пластинах SiGe з різним рівнем легування ізовалентною домішкою призводить до повної зміни характеру залежності. Для Φα ≤ 1011 см-2 характер зміни β практично однаковий для структур, виготовлених на пластинах з NGe= 0 та NGe= 2,5·1019 см-3, а також NGe=1,2·1019 см-3 та NGe=1,2·1020 см-3. При збільшенні Φα≥ 1011 см-2 спостерігається прискорена деградація коефіцієнта посилення npn структур, виготовлених на пластинах NGe = 2,5·1019 см-3. Цей рівень легування кремнію германієм не прийнятний з погляду підвищення радіаційної стійкості Si. При Φα ≤ 1014 см-2 радіаційна стійкість npn структур, виготовлених на пластинах SiGe с NGe=1,2·1019 см-3 приблизно в два рази нижче, ніж у контрольних структур з NGe= 0. Для транзисторів з товщиною бази 0,35мкм відсутній ефект зміни характеру деградації β(Φα). Спостерігається залежність, шо підтверджує можливість уповільнення радіаційної деградації значення коефіцієнта підсилення npn структур, виготовлених на SiGe. Підвищення радіаційної стійкості в 2…3 рази для тестових транзисторів, виготовлених на пластинах SiGe, легованих NGe=7,5·1019 см-3, спостерігається в широкому діапазоні доз α-опромінення, 1011≤ Φα≤ 1014 см-2.
Посилання
References
Bos T., Banducci M. M, et al. under the direction of the Chairman of the Joint Chiefs of Staff (CJCS). (2020). Space Operations.
Thompson L. B. (2021). Geospatial Intelligence. A Test Case for Washington’s Emerging Industrial Policy. Lexington Institute.
Magnuson S. (2022). Ukraine War Called ‘Catalyst’ for Space-Based Remote Sensing Industry. National Defense.
Dubovik O., Schuster G. L., Xu F., Hu Y., Bösch H., Landgraf J. and Li Z. (2021). Grand Challenges in Satellite Remote Sensing. Frontiers in Remote Sensing, Vol. 2, 619818. doi: 10.3389/frsen.2021.619818.
Green, J. C., Likar, J. and Shprits Y. (2017). Impact of space weather on the satellite industry. Space Weather, Vol. 15, Iss. 6, pp. 804–818. doi: 10.1002/2017SW001646.
Zhang J., Cai Y., Xue C., Xue Z., and Cai H. (2022). LEO Mega Constellations: Review of Development, Impact, Surveillance, and Governance. Space: Science & Technology, Volume 2022, Article ID 9865174, 17 p. doi: 10.34133/2022/9865174.
Zebrev, G. (2010). Radiation Effects in Silicon High Scaled Integrated Circuits. National Research Nuclear University MEPHI. DOI:10.13140/2.1.1278.9442.
Space Weather Science and Observation Gap Analysis for the National Aeronautics and Space Administration (NASA) (Sep. 2020-Apr. 2021). A Report to NASA's Space Weather Science Application Program. NASA.
Zastrow M. (2020). How to Improve Space Weather Forecasting. Eos, 101. doi: 10.1029/2020EO145780.
Martines, L. M. S. (2011). Analysis of LEO Radiation Environment and its Effects on Spacecraft's Critical Electronic Devices. Doctoral Dissertations and Master's Theses, 102.
Technology Roadmap Update for Generation IV Nuclear Energy Systems. (2014). Issued by the OECD Nuclear Energy Agency for the Generation IV International Forum.
Reed F. K., Ezell N. D. B., Ericson M. N., Britton C. L., Jr. (2020). Radiation-Hardened Electronics for Reactor Environments. Oak Ridge National Laboratory.
Huang, Q. (2019). Investigation of radiation-hardened design of electronic systems with applications to post accident monitoring for nuclear power plants. Electronic Thesis and Dissertation Repository, 6025.
Iniewski, K. (2018). Radiation Effects in Semiconductors (1st ed.). CRC Press.
Baumann R., Kruckmeyer K. (2020). Radiation Handbook for Electronics. A compendium of radiation effects topics for space, industrial and terrestrial applications. Texas Instruments, 118 p.
Higham E. (2021). Defense Market Trends and the Impact on Semiconductor Technology. Microwave Journal.
Ranita Basu (2022). A review on single crystal and thin film Si–Ge alloy: growth and applications. Materials Advances, Vol. 3, pp. 4489-4513. DOI: 10.1039/D2MA00104G.
Lambrechts W. Sinha S. (2017). SiGe-based Re-engineering of Electronic Warfare Subsystems. Part of the book series: Signals and Communication Technology (SCT). Springer Cham, 329 p. DOI: 10.1007/978-3-319-47403-8.
Singh R., Harame D. L., Oprysko M. M. (2004). Silicon Germanium: Technology, Modeling and Design. Wiley-IEEE Press, 371 p.
Cressler J. D. (2010). Silicon-Germanium as an Enabling Technology for Extreme Environment Electronics. IEEE Transactions on Device and Materials Reliability, Vol. 10, No. 4, pp. 437-448. doi: 10.1109/TDMR.2010.2050691.
Chen J., Vanhellemont J., Simoen E., et al. (2011). Electron irradiation induced defects in germanium-doped Czochralski silicon substrates and diodes. Pys. Status Solidi C, Vol. 8, Iss. 3, pp. 674–677. DOI: 10.1002/pssc.201000142.
Uleckas A., Gaubas E., Rafi J. M., Chen J., Yang D., Ohyama H., Simoen E. and Vanhellemont J. (2011). Carrier Lifetime Studies in Diode Structures on Si Substrates with and without Ge Doping. Solid State Phenomena, Vols. 178-179, pp 347-352. doi:10.4028/www.scientific.net/SSP.178-179.347.
Bytkin S., Kritskaya T. (2018). Modeling of S-shaped accumulation process A- and E-centers in isovalent doped germanium silicon in statistica and mathcad environment. Modern problems of metallurgy, No. 21, pp. 29-35. DOI: 10.34185/1991-7848.2018.01.06.
Ulyashin A. G., Abrosimov N. V., Bentzen A., et al. (2006). Ge composition dependence of the minority carrier lifetime in monocrystalline alloys of Si1-xGex Materials Science in Semiconductor Processing, Vol. 9, pp. 772–776. doi:10.1016/j.mssp.2006.08.021.
Argunova T. S., Jeb J. H., Kostina L. S., Rozhkov A. V. and Grekhov I. V. (2013). Si1-xGex Single Crystals Grown by the Czochralski Method: Defects and Electrical Properties. ACTA PHYSICA POLONICA A, Special Anniversary Issue: Professor Jan Czochralski Year 2013 -- Invited Paper, Vol. 124. No. 2, pp. 239-243. DOI: 10.12693/APhysPolA.124.239.
Vanhellemont J., Chen J., Xu W., Yang D., Rafi J. M., Ohyama H., and Simoen E. (2010). Germanium Doping of Si Substrates for Improved Device Characteristics and Yield. ECS Transactions, Vol. 27, Iss. 1, pp. 1041-1046. DOI: 10.1149/1.3360748.
Vanhellemont J., Chen J., Lauwaert J., Vrielinck H., Xu W., Yang D., Rafi J. M., Ohyama H., Simoen E. (2010). Germanium doping for improved silicon substrates and devices. Preprint submitted to Journal of Crystal Growth.
Bytkin S. V., Krytskaja T. V., Radin E. G., Goncharov V. I., Kunitskij Yu. I., Kobeleva S. P. (2012). Eksperimental'noe issledovanie harakteristik tiristorov, izgotovlennyh na Si, pri dejstvii gamma-oblucheniya [An Experimental Study of the Characteristics of Thyristors, Manufactured on CZ–Si, Under the Action of Gamma–Irradiation]. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki [Materials of Electronics Engineering], Vol. 3, pp. 45-48. https://doi.org/10.17073/1609-3577-2012-3-45-48.
Santos, L. A. P. (2022). An Overview on Bipolar Junction Transistor as a Sensor for X-ray Beams Used in Medical Diagnosis. Sensors, Vol. 22, Iss. 5, 1923. doi:10.3390/s22051923.
Silicon, Germanium, and Their Alloys. Growth, Defects, Impurities, and Nanocrystals. (2015). Edited by Gudrun Kissinger, Sergio Pizzini. Taylor & Francis Group, 431 p. doi:10.1201/b17868.
Kustov V. E., Kritskaya T. V., Tripachko N. A., Shakhovtsov V. I. (1988). Vliyanie germaniya na vnutrennie uprugie napryazheniya v kislorodosoderzhashchem kremnii [Influence of germanium on internal elastic stresses in oxygen-containing silicon].Fizika i tekhnika poluprovodnikov [Physics and Technics of Semiconductors], Vol. 2, Iss. 2, pp. 313-315.
Dielectric Isolation in Integrated Circuits. (2011). Circuits Today.
Sidorov D. V. (2013). Primenenie radionuklidnyh istochnikov α-izlucheniya dlya imitacii nejtronnogo vozdejstviya na kremnievye bipolyarnye tranzistory [Application of radionuclide sources of α-radiation for simulation of the neutron action on silicon bipolar transistors]. Avtoref. diss. kand. tekhnich. nauk. Spec.: 05.27.01 Tverdotel'naya elektronika, radioelektronnye komponenty, mikro- i nanoelektronika, pribory na kvantovyh effektah [Abstract diss. Сand. Techn. Sciences. Specialty: 05.27.01 Solid-state electronics, radio-electronic components, micro- and nanoelectronics, devices based on quantum effects]. М.: Scientific&Production Enterprise ''Pulsar'', 25 p.
Izmeriteli harakteristik poluprovodnikovyh priborov L2-56, L2-56A. TU 11-81.OMM2.756.00.1. Tekhnicheskoe opisanie i instrukciya po ekspluatacii [Indicators of characteristics of semiconductor devices L2-56, L2-56A. TU 11-81.OMM2.756.00.1. Technical description and instruction manual].
Tutorials for Origin. (2016). OriginLab Corporation.
OriginLab. Category: Origin Basic Functions, Growth/Sigmoidal, Statistics. 30.1.104 Logistic.
OriginLab. Category: Growth/Sigmoidal. 30.1.83 Hill1.
OriginLab. Category: Growth/Sigmoidal. 30.1.105 Logistic5.
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2023 Сергій Віталійович Биткін
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
1. Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у нашому журналі.
2. Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована нашим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у нашому журналі.
3. Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення рукопису роботи авторами в мережі Інтернет (наприклад, на arXiv.org або на особистих веб-сайтах). Причому рукописи статей можуть бути розміщенні у відкритих архівах як до подання рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання. Це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії, позитивно позначається на оперативності ознайомлення наукової спільноти з результатами Ваших досліджень і як наслідок на динаміці цитування вже опублікованої у журналі роботи. Детальніше про це: The Effect of Open Access.
