化合物半導(dǎo)體器件的輻射效應(yīng)

化合物半導(dǎo)體器件的輻射效應(yīng)涉及的典型化合物半導(dǎo)體器件類型,微電子器件:單極器件—MESFET,雙極器件—HBT光電子器件:LED,LD,光探測器微電子器件:GaAsMESFET,結(jié)構(gòu)及輸出特性結(jié)構(gòu)輸出特性GaAsMESFET的工作原理、優(yōu)點(diǎn)及用途工作原理:多子器件(單極),電壓控制,類似MOSFET,但輸入為金屬同半導(dǎo)體接觸的肖特基結(jié)優(yōu)點(diǎn):由于、μGaAs~6μSi,VGaAs(飽和)>2VSi（飽和），因此，GaAsMESFET的工作頻率比同類

Si器件高很多。用途：自1976年問世以來發(fā)展迅速，從微波低噪聲放大器件到微波功率器件，從厘米波到毫米波器件，廣泛用于航天、通信、雷達(dá)、電子對(duì)抗等各種領(lǐng)域。GaAsMESFET的總劑量電離輻射效應(yīng)由于不存在MOSFET那樣的柵SiO2,因此總劑量電離輻射效應(yīng)影響較小，很多實(shí)驗(yàn)證實(shí)，GaAsMESFE的耐總劑量電離輻射能力可以達(dá)到107rad以上。

增益Gp同γ總劑量的關(guān)系

噪聲系數(shù)N同γ總劑量的關(guān)系

GaAsMESFET的中子輻射效應(yīng)高能中子同GaAs晶格原子碰撞，使其離開平衡格點(diǎn)—位移，產(chǎn)生“空位”及“間隙”，由此引入缺陷中心和陷阱。它們起復(fù)合中心作用，使少子壽命下降；吸收導(dǎo)帶的自由載流子，使電阻率增加；形成附加的電離散射中心，使遷移率降低。GaAsMESFET的DLTS譜

下圖示出GaAsMESFET的DLTS譜隨中子輻射注量的變化。經(jīng)Фn=3x1015n/cm2及Фn=1x1016n/cm2輻照以后，形成了二個(gè)窄峰：U帶（240K）及EL2（375K）。這些陷阱可造成載流子的去除（ND）下降。ND

同Фn

的關(guān)系

ND＝ND0[1－（β/ND0）Фn]ND0為輻射前的載流子濃度，β為損傷系數(shù),適當(dāng)提高溝道外延層的摻雜濃度ND

，可以提高GaAsMESFET的抗中子能力。Gp

及NF

隨Фn

的關(guān)系下圖示出一個(gè)典型器件Gp

及NF隨Фn

的關(guān)系適當(dāng)選擇柵壓可以得到很高的耐中子輻射能力。GaAsMESFET瞬態(tài)輻射效應(yīng)

柵下耗盡區(qū)及附近的溝道區(qū)產(chǎn)生電子空穴對(duì)，在電壓作用下形成瞬時(shí)輻射電流.

半絕緣襯底產(chǎn)生附加載流子，從而形成襯底附加電流。在摻鉻的半絕緣襯底中，鉻雜質(zhì)形成陷阱能級(jí)，陷阱俘獲輻射產(chǎn)生的電子，使襯底帶負(fù)偏壓，它使溝道區(qū)變窄，因此漏電電流突然下降，這種現(xiàn)象稱為“背柵效應(yīng)”（見左圖）。瞬態(tài)輻射后，被俘獲的電子逐漸釋放（幾秒至幾十秒），漏電電流逐漸恢復(fù)到原始值（見右圖，X輻射，脈沖3ns，E=600KeV，γ`=3.3x1010(Si/s)

背柵瞬時(shí)輻射效應(yīng)的加固措施

1．采用不摻鉻的高純GaAs半絕緣襯底，消除陷阱能級(jí)可以抑制背柵效應(yīng)。

2．采用P型埋層（右上圖）屏蔽襯底電場對(duì)溝道的影響，采用不摻雜的AlGaAs緩沖層（弱P型）抑制背柵的影響，其效果見右下圖。

GaAsMESFET集成電路的單離子效應(yīng)測試結(jié)果表明,GaAsMESFETIC對(duì)單離子效應(yīng)有較高的敏感性，一個(gè)IC的數(shù)據(jù)表明,其誤差為10-3誤差/位·每天。測試發(fā)現(xiàn)未加固的MESFET其LET閾值很低，小于1MeVcm2/g，這是一個(gè)比較低的值。加固方法：瞬態(tài)輻射加固的方法有利于SEU的加固。AlGaAs/GaAsHBT的結(jié)構(gòu)及優(yōu)點(diǎn)異質(zhì)結(jié)雙極晶體管由寬帶隙（例如Eg=1.8ev）的AlGaAs作發(fā)射極,窄帶隙的GaAS(Eg=1.43ev)作基極。在發(fā)射極—基極處產(chǎn)生帶隙差ΔEg。（例如ΔEg=0.37ev）。結(jié)構(gòu)見右圖。異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的電流放大系數(shù)β異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的電流放大系數(shù)β可用下式表示：

β=(Ne/P=)(νnb/νpe)exp(ΔEg/KT)

Ne，Pb分別為發(fā)射區(qū)及基區(qū)多子濃度

νnb，νpe分別為在發(fā)射區(qū)及基區(qū)的平均速度，對(duì)于同質(zhì)結(jié)雙極晶體管，ΔEg=0，β主要由Ne/Pb決定,β要大，Ne必須》Pb。對(duì)于異質(zhì)結(jié)雙極晶體管，β主要由ΔEg決定，Pb可以》Ne，仍可得到大的β。當(dāng)Pb大了以后，基區(qū)電阻下降，同時(shí)Ne減小，降低發(fā)射極電容，最終提高了晶體管的工作頻率并降低晶體管的低噪聲。AlGaAs/GaAsHBT的總劑量輻射效應(yīng)由于不存在MOS管中的柵SiO2，同時(shí)基區(qū)可采用高摻雜濃度，因而AlGaAs/GaAsHBT有很好的總劑量加固特性。右圖示出AlGaAs/GaAsHBT總劑量輻照前后器件的電流增益hFE

同集電極電流密度的關(guān)系。輻照后hF最壞從132下降至120，而在小電流范圍，hF

基本不變。AlGaAs/GaAsHBT的中子輻射效應(yīng)中子輻射使E-B異質(zhì)結(jié)內(nèi)的復(fù)合增加，從而使HBT的hF

有所下降。下圖示出

AlGaAs/GaAsHBT的hF

同中子注量的關(guān)系。在1.3x1014/cm2

中子注量輻照后，高h(yuǎn)F

器件的hF

降低了25%，而低hF

器件hF

僅降低了7%。結(jié)果反應(yīng)器件具有較好的耐中子輻射能力。AlGaAs/GaAsHBT瞬態(tài)輻射效應(yīng)由于器件的基極寬度極小，器件同瞬態(tài)輻射作用的有效敏感體積很小，即使在高劑量率輻射時(shí)，產(chǎn)生的光電流也很小，因此，器件具有良好的抗瞬態(tài)輻射能力。光電子典型器件半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）的概述:

目前已生產(chǎn)的主要是用Ⅲ--Ⅴ族材料,包括

GaAs（紅外900-940nm）;GaAsp(近紅外-紅外630-900nm）;Gap（紅光700nm，綠光560nm）。也可以用IV-IV族SiC(黃光)及GaN(藍(lán)光)LED工作原理在LED上加一正向偏壓，降低n區(qū)同p區(qū)之間的勢壘，產(chǎn)生少子注入。電子從n到p，空穴從p到n，在p-n結(jié)附近數(shù)微米內(nèi)在P區(qū)及n區(qū)內(nèi)均有電子同空穴的復(fù)合，產(chǎn)生自發(fā)輻射—發(fā)光。直接帶隙具有高的發(fā)光效率適于制作LED，某些間接帶隙半導(dǎo)體，可通過適當(dāng)摻雜形成發(fā)光復(fù)合中心也可提高發(fā)光效率。LED的發(fā)光效率

LED加正向電壓時(shí)，輻射復(fù)合過程同非輻射復(fù)合過程處于競爭中.

量子效率η=Rr/R=Τnr/(Τnr+Τr)

式中Rr，R分別為輻射復(fù)合率及總復(fù)合率，Τnr為無輻射復(fù)合壽命，Τr為輻射復(fù)合壽命。LED結(jié)構(gòu)對(duì)抗輻射性能的影響同質(zhì)結(jié)LED，由于發(fā)光區(qū)較寬（p-n結(jié)附近5-10μm）,中子輻照后產(chǎn)生陷阱多，無輻射復(fù)合合壽命Τnr

顯著降低，量子效率η降低也大。雙異質(zhì)結(jié)LED，例如下圖，InGaP雙異質(zhì)結(jié)LED,發(fā)光區(qū)僅為本1.5μm，,中子輻照上述影響較小，因而抗輻射能力有所提高。量子阱LED，發(fā)光區(qū)由極薄量子阱厚度（100nm）決定，其抗輻射能力大大提高。例子：GaAlAs量子阱LED,中子注量1.5x1013/cm2

輻照后光輸出功率僅減少2.5%左右，中子注量1.5x1014/cm2輻照后，光輸出功率減少35%左右。LED的中子輻射效應(yīng)中子輻射使非輻射復(fù)合率增加，而輻射復(fù)合率相對(duì)影響較小，由此使發(fā)光效率下降。右圖示出SiCLED的中子輻射效應(yīng)。在低工作電壓下，中子注量引起的

LED損傷較小，在高工作電壓下，發(fā)光強(qiáng)度有所減小，在高溫下減小，更為明顯。GaAs基LED的中子輻射效應(yīng)近紅外的GaAsLED在7x1015n/cm2輻照后，光輸出功率減少50%，

GaAsPLED在1013n/cm2-1014n/cm2輻照后，光輸出功率減少50%，。光輸出功率的退化可用下式表示：

PL（Ф）＝PL（0）/(1+KTФ)1.5PL（0）-中子輻射前的光輸出功率

PL（Ф）-中子輻射后的光輸出功率

KT-中子輻射損傷常數(shù)不同LED中子輻射損傷常數(shù)KT

LED的總劑量電離輻射效應(yīng)下圖示出二種GaInAsPDH-LED的總劑量電離輻射效應(yīng).二種器件的60C0γ總劑量電離輻射效應(yīng)基本接近,經(jīng)106Gy總劑量電離輻射,光功率輸出稍有變化,具有很高的耐總劑量電離輻能力.半導(dǎo)體激光器（LD）的結(jié)構(gòu)及工作特點(diǎn)半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)類似于LED,同LED的自發(fā)輻射產(chǎn)生較寬光譜的光不同，激光器的光由受激輻射產(chǎn)生，其光譜窄，相位一致，有偏振方向，同時(shí)光輸功率大。激光器的輸出功率Pex

用下式表示：

Pex=ηiVj[ln(1/R1R2)(I-Ith)]/[2aiL-ln(1/R1R2)]

式中:ηi為量子效率,R1,R2為腔面反射率,L為腔長,ai為材料的吸收系數(shù),Vj為正向壓降,I為工作電流,Ith為發(fā)光的閾值電流.半導(dǎo)體激光器的輻射效應(yīng)輻射對(duì)激光器的影響主要是閾值電流增大，輸出功率下降。其機(jī)理同LED類似，輻射在半導(dǎo)體材料中造成缺陷，使非輻射復(fù)合壽命下降，從而使量子效率下降，閾值電流上升。中子輻射效應(yīng)的例子右圖示出一個(gè)GaAs

基的中功率激光器(Pout=200mW)的中子輻射效應(yīng).中子注量為1013n/cm2時(shí)閾值電流變化2%左右,中子注量為1014時(shí)閾值電流變化35%,中子注量為1015n/cm2時(shí)閾值電流變化50%.瞬態(tài)電離輻射效應(yīng)（1）

右圖示出低劑量率下，量子阱激光器輸出功率明顯增加，原因：瞬態(tài)光電流增加了有源區(qū)載流子注入，此外電離輻射在量子阱內(nèi)產(chǎn)生的過量載流子復(fù)合也發(fā)射光子，二者對(duì)增加光輸出功率均有貢獻(xiàn)。瞬態(tài)電離輻射效應(yīng)（2）右圖示出量子阱激光器在高劑量率下輸出功率的影響，此時(shí)輸出功率明顯減小。其原因是：高劑量率下在結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生過量載流子密度達(dá)到或超過了半導(dǎo)體摻雜濃度使載流子復(fù)合率降低，同時(shí)引起折射率下降，增加了腔內(nèi)光損耗。不同結(jié)構(gòu)LD的抗輻射能力的比較類似LED,同質(zhì)結(jié)LD:如GaAs

pn結(jié)LD,有源區(qū)面積大,閾值電流大,衍射嚴(yán)重,發(fā)光效率低,抗輻射能力最低.

單異質(zhì)結(jié)LD:如GaAs(n)-GaAs(p)-GaAlAs(p+)-GaAs(p+)單異質(zhì)結(jié)LD,有源區(qū)光增益增加,閾值電流降低,抗輻射能力優(yōu)于同質(zhì)結(jié)LD.

雙異質(zhì)結(jié)LD:如GaAs(n+)-GaAlAs(p)-GaAs(p+)-GaAs(p+)雙異質(zhì)結(jié)LD,有源區(qū)光增益更增加,閾值電流大大減小,抗輻射能力又優(yōu)于單異質(zhì)結(jié)LD.

多量子阱LD:具有低的閾值電流,有源區(qū)極薄,量子效率很高,輸出光功率大,抗輻射能力最優(yōu).光電探測器件的結(jié)構(gòu)及工特點(diǎn)

光電探測器有光伏（PV）型及光導(dǎo)（PC）型。PV型如右圖，光子激發(fā)PN結(jié)及其附近區(qū)域產(chǎn)生電子—空穴對(duì)，電子向N區(qū)，空穴則向P區(qū)，N區(qū)及P區(qū)開路