基于SOI 工藝的二極管瞬時劑量率效應數值模擬*

冒國均，邊煒欽，薛海衛，楊光安

（1.中國電子科技集團公司第五十八研究所，江蘇無錫 214072；2.東南大學，南京 210001）

1 引言

MOS 器件中存在各種寄生的PN 結構，研究PN結的瞬時劑量率效應是研究MOS 器件瞬時劑量率效應的基礎。本文基于0.13 μm SOI 工藝的二極管器件模型，通過數值模擬，研究了二極管的瞬態劑量率效應，得到了不同瞬時劑量率、不同偏置電壓下的二極管光電流變化關系，對研究深亞微米SOI 工藝器件的瞬態劑量率效應具有一定的參考意義。

2 瞬態劑量率輻射效應

SOI 器件的瞬時劑量率效應是指暴露于脈沖γ 射線輻射的MOS 器件所表現出的電離輻射損傷，瞬時電離脈沖輻射下，MOS 器件PN 結中產生光生載流子，引起PN 結間的光電流流動。

PN 結內產生的光電流包括瞬態漂移光電流和擴散光電流兩部分。漂移光電流主要在PN 耗盡區內產生，擴散光電流主要在耗盡區外產生。瞬態漂移光電流的大小為

其中q 為電子電荷，g0為載流子產生率，γRD為瞬時輻射劑量率，V 為耗盡區體積。

當瞬態電離脈沖輻射在二極管N 區、P 區產生光電流作用的距離x1、x2小于電子空穴的擴散長度或與其相當時，P 區收集的擴散光電流近似為

N 區收集的擴散光電流近似為

其中q 為電子電荷，g0為載流子產生率，γRD為瞬時輻射劑量率，Ln、Lp為電子空穴的擴散長度 ；ξp=x1/Lp、ξn=x2/Ln，Ln=Dnτn、Lp=Dpτp。Dn、Dp為電子空穴擴散系數，τn、τp為少子壽命[5-6]，如圖 1 所示。

綜上所述，PN 結總的瞬態光電流如式（4）：

造模后動物的血脂水平比正常組明顯升高（P＜0.05），其中高密度脂蛋白的升高考慮是機體受到膽固醇、甘油三酯和低密度脂蛋白的刺激后產生的應激性增高，屬于保護性；阿托伐他汀和護心康對膽固醇和低密度脂蛋白的升高具有明顯的療效（P＜0.05），WIF的對其的降低作用不明顯；三種藥物對甘油三酯和高密度脂蛋白的影響相對較小，見表1。

圖1 PN 二極管示意圖

3 二極管器件結構

本文選取PN+二極管及P+N 二極管兩種常用的PN 結構，PN 結二極管結構及輸入輸出特性曲線通過TCAD 軟件的Athena 模塊仿真實現，使用Atlas 仿真模塊仿真器件結構基本電學特性，調節工藝參數，使仿真結果接近或達到實際數值要求。

本文描述的PN+二極管器件長度為0.25 μm，N+注入寬度為0.08 μm，正向導通壓降為0.9 V，反向擊穿電壓為-6 V。P+N 二極管器件長度為0.2 μm，P+注入寬度為0.12 μm，正向導通壓降為0.74 V，反向擊穿電壓為-6 V。與 0.18 μm 工藝相比，0.13 μm 工藝的P+N 二極管 DC 特性好，其中 Is比 0.18 μm 小了一個數量級、Jsw是 0.18 μm 的 1/3，同尺寸的 0.13 μm SOI工藝二極管電容低，具有更低的電容特性和更好的溫度特性，所以在瞬態劑量率輻射下，0.13 μm SOI 工藝的二極管產生的光電流要比0.18 μm 體硅工藝小。

4 二極管瞬態劑量率數值模擬及分析

4.1 PN+型瞬態劑量率仿真

在PN+二極管兩端分別施加-2 V、-4 V、-6 V 的偏壓，劑量率選取 1×1013rad(Si)/s、5×1013rad(Si)/s、1×1014rad(Si)/s、5×1014rad(Si)/s 和 1×1015rad(Si)/s 5 個點，通過仿真得到反偏電流變化如下：

當二極管正極施加電壓Vanode為-2 V 時，輻照前反偏電流為0.14 mA。在劑量率分別為1×1013rad(Si)/s、5×1013rad(Si)/s、1×1014rad(Si)/s、5×1014rad(Si)/s 及 1×1015rad (Si)/s 輻照后，瞬態電流峰值分別變為0.142 mA、0.15 mA、0.158 mA、0.22 mA 和 0.295 mA。不同劑量率下的電流變化見圖2（a）。

Vanode為-4 V 時，輻照前反偏電流為0.212 mA。在劑量率分別為 1×1013rad(Si)/s、5×1013rad(Si)/s、1×1014rad(Si)/s、5×1014rad(Si)/s 及 1×1015rad(Si)/s 輻照后，瞬態電流峰值分別變為0.213 mA、0.225 mA、0.24 mA、0.34 mA 和0.47 mA。不同劑量率下的電流變化見圖2（b）。

Vanode為-6V 時，輻照前反偏電流為0.6mA。在劑量率分別為 1×1013rad(Si)/s、5×1013rad(Si)/s、1×1014rad(Si)/s、5×1014rad(Si)/s 及 1×1015rad(Si)/s 輻照后，瞬態電流峰值分別變為 0.61 mA、0.68 mA、0.75 mA、1.25 mA 和1.75 mA，不同劑量率下的電流變化見圖2（c）。

在不同的劑量率、不同偏置電壓下，PN+二極管的電流變化率如表1 所示。

圖2 PN+不同劑量率、不同偏壓下的電流變化

表1 PN+型二極管電流變化率

4.2 P+N 瞬態劑量率仿真

與PN+型二極管類似，對于P+N 型二極管施加相同的偏壓、相同的5 個劑量率點，通過仿真得到反偏電流變化如下。

Vanode為-2 V 時，輻照前反偏電流為0.09 mA。在劑量率分別為 1×1013rad (Si)/s、5×1013rad (Si)/s、1×1014rad(Si)/s、5×1014rad(Si)/s 及 1×1015rad(Si)/s 輻照后，瞬態電流峰值分別變為0.092 mA、0.10 mA、0.11 mA、0.175 mA 和0.26 mA。不同劑量率下的電流變化見圖3（a）。Vanode為-4 V 時，輻照前反偏電流為0.15 mA。在劑量率分別為 1×1013rad(Si)/s、5×1013rad(Si)/s、1×1014rad(Si)/s、5×1014rad(Si)/s 及 1×1015rad(Si)/s輻照后，瞬態電流峰值分別變為0.151 mA、0.1625 mA、0.175 mA、0.3125 mA 和0.475 mA。不同劑量率下的電流變化見圖 3（b）。Vanode為-6 V 時，輻照前反偏電流為0.54 mA。在劑量率分別為1×1013rad (Si)/s、5×1013rad(Si)/s、1×1014rad(Si)/s、5×1014rad(Si)/s 及 1×1015rad(Si)/s 輻照后，瞬態電流峰值分別變為0.545 mA、0.61 mA、0.7 mA、1.35 mA 和 2.05 mA。不同劑量率下的電流變化見圖3（c）。

圖3 P+N 不同劑量率、不同偏壓下的電流變化

在不同的劑量率和不同的偏置電壓下，P+N 型二極管的電流變化率如表2 所示。

表2 P+N 型二極管電流變化率

從上述仿真結果可知，兩種類型的二極管光電流都隨著劑量率和反偏電壓的增加而增大，當劑量率為1×1013rad(Si)/s 時，二極管光電流的變化率不超過3%；當劑量率為5×1013rad (Si)/s 時，PN+型二極管的光電流變化率最大為12%左右，而P+N 型二極管的光電流變化率最大達到16%左右；當劑量率大于等于1×1014rad(Si)/s 時，PN+型二極管的光電流變化率最大為24%左右，而P+N 型二極管的光電流變化率最大達到34%左右；當劑量率為 1×1015rad(Si)/s 時，PN+ 型二極管的光電流變化率最大為197%左右，而P+N 型二極管的光電流變化率最大達到289%左右。

相同類型的二極管，當電壓為-2 V 和-4 V 時，兩者之間光電流的變化率差距不大，當電壓為-6 V 時，光電流變化率較大。對于不同的劑量率來講，當劑量率小于等于 1×1014rad(Si)/s 時，偏置電壓為-6 V 時，最大光電流變化率為輻照前的1/3。當劑量率達到1×1015時，光電流變化率急劇增加，偏置電壓為-4 V 時，最大光電流變化率為輻照前的2 倍；偏置電壓為-6 V 時，最大光電流變化率將近輻照前的3 倍。

在PN+和P+N 兩種不同的二極管之間，在相同的劑量率和電壓下，PN+產生的光電流比P+N 產生的光電流小，PN+ 的平均光電流變化率約是P+N 的60%，表明在瞬態輻射下，PN+型二極管產生的光電流較小。

根據上述仿真結果，由二極管瞬態光電流公式可知，漂移電流和擴散電流都與瞬態劑量率成正比，漂移電流的貢獻要比擴散電流大。當瞬態劑量率超過5×1014rad(Si)/s 時，載流子的產生率急劇上升，導致漂移電流比輻照前成倍增加；偏置電壓對光電流的影響體現在對瞬態光電流的收集能力上，在相同的瞬態劑量率輻射下，偏置電壓越大，電子空穴擴散長度縮短，光電流作用的距離增加，導致擴散電流變大。

5 結論

采用TCAD 仿真工具，對0.13 μm SOI 工藝下的PN+和P+N 型二極管進行了瞬態劑量率輻射效應仿真，綜合仿真結果可知：二極管兩端反向偏置電壓越高，反偏光電流的變化率越大；輻射劑量率越大，產生的光電流的變化率也越大；在相同偏置電壓、相同輻射劑量率條件下，PN+ 型二極管的光電流變化率比P+N 型二極管的光電流變化率要小，PN+型二極管的抗瞬時劑量率輻射效應要比P+N 型好；當劑量率不大于1×1014rad(Si)/s 閾值時，光電流變化率不大，對二極管的特性幾乎無影響。而當劑量率大于1×1014rad(Si)/s時，兩種類型的光電流變化率成倍增加。瞬態劑量率產生的光電流遠大于偏置電壓引起的光電流，是瞬態輻射中產生二極管感生光電流的主要因素。

瞬態劑量率輻射下的二極管光電流數值模擬及變化趨勢的分析，為研究0.13 μm SOI 工藝下二極管的瞬態輻射效應提供了參考。