CC BY
2
УДК 621.382.333:621.315.592.3
Рад1ацшна стшюсть тестових при транзисторш 1С з д!електричною ¡золящею, виготовлених на кремни, ¡зовалентно легованому гермашем
(SiGe)
Битын С. В., Критська Т. В.
111ж<ш<;ршш учбово-науковий шститут ¡м. Ю. М. Потобш ЗаиорЬького иацшиалышго ушворситоту, м. ЗаиорЬкжя, Укра'ша
E-mail: byl.kin&bigmir.ncl.
Склалася суиеречлива оцшка можливоста застосувашш гермашя (Ge) для шдвищеппя рад1ацишо1 стшкост! одпор1дпо леговапого 1зовалептпою дом!шкою кремп1ю (Si). У ряд! иублшацш показано, що icnye лише обмежепий вплив легуваш1я гермашем па рад1ац1йпу стшшсть ри-структури при високо-епергетичпому електроппому onpOMineiuii. Одпочаспо, спостер!гаеться пом!тпе покращеш1я рад1ацшпо1 стшкоста прпр-структур, виготовлених на SiGe, при 7-опромшенш. 3 метою зняття протир!ччя, проведене пор!вняння рад!ац1йно1 деградацп ¡3 тестових бшолярних транзисторних прп-структур ште-гральпих схем (1С), виготовлених за одпаковото техполопею, «кремшй з д1електричпою 1золяц1ею», па ¡зовалентно легованому гермашем кремни, SiGe, з р!зним bmIctom Ge, Noe = 1, 2 • 1019 ... 1, 2 • 1020 см-3. Коефщ1ент статичного иосилення @ вим!ряний до та шсля оиромшення а-частинками. Опромшення не кориусованих прп-структур а-частинками з енерпею 4,5 МеВ, проведене у спегцально спроектовашй та виготовлешй лабораторшй устаповц! з внкористаппям радю1зотоппих джерел; експеримеиталыю досл!джепо прп-структури з двома товщипами бази, 0,25 i 0,35 мкм. Залежшсть, що апроксимуе експериментальш даш ,б(Фа) - р!вняння, що описуе змшу коефицента иосилення транзисторно! прп-структури при а-оиромшенш, отримана з використанням програми OriginPRO. Результати для прп-структур с товщиною бази 0,25 мкм иоказують сильну нелшшну залежшсть р!внянь ,б(Фа) в!д К(;;0. Деградагця коефщ1епта иосилешш коитролышх трапзистор1в, виготовлених за стандартною те-=0
пластипах SiGe 3 р1зпим ршпем легуваш1я 1зовалептпою дом!шкою призводить до иовпо! змши характеру залежноста. Для Фа < 1011 см-2 характер змши @ практично однаковий для структур, виготовлених на пластинах з Noe = 0 та Noe = 2, 5 • 1019 см-3, а також N ge = 1, 2 • 1019 см-3 та Nq е = 1, 2 • 1020 см-3. При зб!лыненш Фа > 1011 см-2 спостер!гаеться прискорена деградац!я коефицента посилення прп-структур, виготовлених на пластинах Noe = 2, 5 • 1019 см-3. Цей р!вень легування кремшю гермашем не прийнятний з погляду шдвищення рад1ац1йно! стшкоста Si. При Фа < 1014 см-2 рад!ац!йна стшшсть прп-структур, виготовлених на пластинах SiGe з Noe = 1, 2 • 1019 см-3 ириблизно в два рази нижче,
=0
змши характеру деградацп ,б(Фа). Спостер1гаеться залежшсть, шо шдтверджуе можлив!сть упов!ль-пеппя рад1ац1йпо1 деградацп зпачеппя коефщ1епта шдсилеппя прп-структур, виготовлених на SiGe.
...
SiGe, легованих Noe = 7,5 • 1019 см-3, спостер!гаеться в широкому д!апазош доз а-опромшення, 1011 < Фа < 1014см-2.
Ключовг слова: шдвищення рад1ац1йно! стшкоста; прп структура; а-опромшення; легування кремшю гермашем; р!вепь легування 1зовалептпою дом!шкою; деградац!я коефщ1епта шдсилеппя
DOI: 10.20535/RADAP.2023.91.72-78
Постановка проблеми у загаль-ному вигляд1
Необхщшсть використання косхйчних засоГяв зв'яжу. розвщки. спостсрсження та рекогносцировки (communications, intelligence, surveillance and
reconnaissance. ISR) [1], особливо технологи cy-путиикового дистанцшного зондування (Satellite Remote Sensing) [2]. розглядаеться як своерщний «каталЬатор» [3] розвитку промисловост1 космь чних засоб1в дистаищйиого зондування [4]. Показано. що досить часто сиостер1гаються вщмови твердотшышх и1дсилювач1в иотужност1 (Solid State
Power Amplifiers, SSPAs), критично важливих при-стрсяв, необхщних для посилення радюсигнатв та передач! шформацп Í3 су путника [5]. Це важливо з огляду на те, що прогнозована триватсть жит-тя KOCMÍ4HHX апаратав (КА) у мегаугрупованнях на низьких, на bhcotí 300... 900 км над Землею орб1тах (Low Earth Orbits, LEO), зазвичай складае 3-5 рошв [6]. Триватсть активного кшування апаратури К А багато в чому визначаеться раццацпшою ctíi"ikíctio мшрослектронних пристрсяв деградащя шдсилю-валышх властивостей транзистор1в у полях кяизую-чого випромпиовання призводить до 3MÍHH (дрейфу) характеристик штегралышх схем (1С) загалом та ïx функщоналышх ввдмов [7]. На поточш супутников1 угруповання íctotiio впливае косм1чна погода [8], прогнозування ïï иедостатньо ефективне [9]. Спо-стершаеться суттсвий вплив рад1ащйнся' обстановки на ризики в1дмов електронного обладнання К А [10]. Активно розвиваються досл1дження, проектування i виробництво атомних електростанцш (АЕС) IV по-колшня (Generation IV) [11]. У зв'язку 3Í складшстю нових peaKTopiB потр1бне розм1щення датчишв та пов'язанея з ними електрошки ближче до активно! зони ядерного реактора, що матиме ввдчутний вплив на управл1ння та роботу реактора [12], за рахунок чого шдвшциться його безпека та ефектив-nicTb. Особливо важливою с рад1ащйна спйккть обладнаиня мо1Пторингових систем при усуненш насладив рад1ацшних шциденпв на АЕС [13]. Таким чином, актуальною с розробка технолеялй шдвшце-ння рад1ацшнся ctííikoctí слсментнся компонентно! бази (ЕКБ) будь-якся апаратури (КА, АЕС), що ви-користовусться в полях юшзуючих BiinpoMiinoBaiib.
1 Анал1з останшх дослщжень та публжацш
Досить детально вивчено с}мзичний мехашзм де-градацп властивостей нашвпровцщикових матерк ал1в, що використовуються для виготовления як 1С, так i дискретних пристрсяв [14, 15]. Сегмен-тащя структури використання нашвпровцщишв у системах радюслектроннся боротьби, радюлокацп та зв'язку приведена в [16]. У доступному для огляду майбутньому (дал1 2030 р.) частка не ши-рокозонних нашвпровщнишв, що буде застосована для малопотужних радючастотних (radiofreqneney, RF) цифрових прилад1в у BificbKOBifi радютехшщ буде складати не менш 50%. Таким нашвпровщ-ником може бути 1зовалентно легований германкм кремшй, SiGe [17]. Розглянуто можливкть розроб-ки та виготовления нового поколшня електрон-них шдсистем обладнання радюолоктроннсм боротьби (electronic warfare, EW), для виробництва якся доцшыю застосовання ЕКБ з використанням SiGe [18]. 1зовалентна дом1шка створюе можлив1сть для корування шириною заборонено! зони кремшю
(bandgap engineering) [19]. Само цей ефект застосо-вуеться, наприклад, для виготовления широкосму-гових (=20МН г... 20 GHz) передавач1в, призначе-них для роботи EW в екстремалышх умовах, у тому числ1 косм1чного простору [20], для чого використовуються бшолярш транзистори з гетеропереходом (SiGe Heterojnnction Bipolar Transistors, HBTs).
Методом емшенея спектроскоп^ глнбокнх снер-гетичних piBiiiB (deep level transient spectroscopy, DLTS) дослщжено дюдш структури (p-on-n diodes), виготовлеш i3 застосуванням SiGe, з концентра-цкю герман1ю 1019 см-3 та опромшеш електрона-ми з енергкю 2МеВ [21, 22]. Результати опромк нення дозою 1014 см-2 показали, що концентрация рад1ац1йних дефектав практично не вщнзняеться для контролышх д1одних структур та виготовлених i3 застосуванням 1зовалентно легованого гермаш-см KpeMiiiio. Отриманий результат яккно збкае-ться з даними, отриманими в [23] при опромшенш тестових р+n структур а-частинками з enepriero ~ 4, 5МеВ при Фа = 1012см-2. Зокрема, при Фа = 1010 см-2 концентращя А- та Е-центр1в в кремпИ, леговаиому Go, суттсво нижче, н1ж у контролышх зразках. При 5 • 1010 см-2 < Фа < 2 • 1011 см-2 в SiGe спостеркаеться активно накопичення А-цонтр1в, а при Фа = 1012 см-2 i'x копцептращя не в1др1зня-сться в1д втпрянея в контролышх зразках. Для Е-центр1в при 3 • 109 см-2 < Фа < 2 • 10исм-2 в SiGe спостеркаеться i'x активно накопичення. Разом з тим, при Фа > 2 • 10исм-2 у легованому германкм кремни вщбуваеться стабЫзащя концен-тращй А- та Е-цонтр1в, що дозволяс говорити про рад1ащйну ст1йк1сть SiGe при шдвшцених дозах а-оиромшення. Проведения вим1рювань за одик! концентрацп Ge, 1019 см-3, недостатньо для оцшки радоацпшем спйкосп SiGe, оскшьки ерзичш вла-CTiiBOCTi цього матер1алу icTOTiro залежать в1д його складу (структури). Наприклад, у робот [24] дослщжено час життя не основнпх носив заряду у вирощених по Чохральському монокристалах Si1—в структурному диапазош 0 < х < 0, 07
1 встановлено, що Bin р1зко знижуеться i3 збшь-шепиям концентрацп Go, та може бути пояснено у творениям складних структурних дефекпв [25].
2 Виявлення невир1шених науково-техн1чних завдань
Склалася суперечлива ощнка можливост1 засто-сування Go для п1двнщення рад1ащйно1 стшкосп однорадно легованого 1зовалентною дом1шкою крем-niio. 3 одного боку, у роботах [26, 27] показано, що легування кремнио гермашем у д1апазош кон-центрацш в1д 1016 до 1019 см-3 покращуе якють монокрнстал1в та пластин, оскшьки шдвищуе i'x ме-xaiiinny м1цн1сть, що прнзводнть до зннження втрат пластин через руйнування пщ час р1зання зливка та
i'x високотсмпературно1 терм1чно1 обробки пад час проведения технолоичного процесу. Важливою перевагою с те. що сам процес витягування кристал1в не потребуй будь-яко! модифшацп' для концентраций Ge< 1020 см-3. Однак спостершаеться лише обмеже-ний вплнв легування гермашем на характеристики тестових дюд1в до i шсля електронного опромшоння, що падтверджуе, на думку автор1в цитованих ро-6ít. що легування кремнпо низькою концентращяо гермашю не íctotiio впливае на рад1ащйну спйккть pri-структури. 3 innioro боку, показано помине по-кращення радоацпшсм ctíi"ikoctí riprip-структур, ви-готовлеиих на SiGe при 7-опромшенш f ]. Отже, необхщне пор1внялыге ексиериментальне досладже-ния багатошарових планариих структур. рад1ащйна ctífikíctb яких визначаеться матор1алом, на яко-му вони сформоваш. Ьипими словами, необхщне nopiBiraiiira структур, виготовлених за однаковою технолопяо на повалентно легованому гермашем KpeMiiiio SiGe з pÍ3iniM bmíctom Ge: такою структурою с бшолярний транзистор (bipolar junction transistor. B.JT) [29]. Фактично, в даному випад-ку прп-структура буде датчиком стуиеня радоа-nifnioi деградацп' SiGe при використанн1 однако-вих доз опромшоння та режтив вим1рюваиия для контрольних (концентращя гермашю Nce = 0) та доопджуемих структур (Nce = 0). У cxeMi Í3 загаль-ним ем1тером найбшьш чутливою до рад1ащйного впливу характеристикою с вщношоння колектор-ного струму BJT, к базовому току, Iß, тобто коеф1щент и1дсилення транзистора ß = Ic/1в, званий також коефщентом посилення по постшному струму (DC current gain), hps-
3 Мета роботи
Експеримеитальие дослщжоння впливу концен-трацп' изовалснтно1 легуючо! дом1шки, Ge, на ра-доацпшу деградащю найбшьш чутливо! характеристики бшолярних транзистор1в, ß, виготовлених на 1зовалентно легованому гермашем кремнй', SiGe, з метою з'ясування можливоста використання герма-iiiio для шдвшцення рад1ащйно1 ctííikoctí кремше-вих планариих прп-структур.
4 Виклад основного матер1алу
При ироведенш дослщжонь використовували монокристали кремшю з рк0, 2 0м-см, вирощеш за методом Чохральського [30]. Проводився контроль питомого опору, щшыгосп дислокащй, наявносп св1рлових дефектав. Втпрювання Noc ироводилися в 1нститута ф1зики НАНУ за ведомою методикою [ ]. Вим1рювання вм1сту 0¿ та C¿ проведене методом 1Ч-поглинання з використанням спектрофотометра PerkinElnier 580 при 300 К (концентращя кисшо та вуглецю по верхиьому/иижньому тор-
цам дор1виювала (2,8.. . 3,2)-1017/(5.. .6)-1016 см3 та (3,5.. .3,8)-1012/(2.. .3)-1О16 см3). 3 точки зору виго-товлеиия, опромшоння та проведения втпрювань як до, так 1 шсля опромшоння зручно викори-стовувати бшолярний тостовий прп-транзистор 1С, виготовлений на 1зовалонтно легованому гермашем кремш1 за технолопяо «кремнш з дгслоктричною 1золящяо», що застосовусться для виготовлення ра-доацпшо спйких 1С [32]. Схема 1золящ1 за допо-могою У-под1бних канавок, заповнених иолшриста-шчшш кромшем (У1Р-мотод), заснована на вертикальному ашзотроиному травленш кремшевих шд-кладок з утворениям У-под1биих канавок, заповнених пол1кристал1чним кремшем. Шсля формування 1зольованнх областей («кншень») монокристатчно-го кромшю 81Се за технолопяо 185 РУ5 сформован! прп-структури з товщинами бази 0,25 та 0,35 мкм, площа емиера Эе = 65 х 35 мкм2. Для вивчення радь ащйно! деградащ! коеф1щента шдсилення р актив-них прп-структур 1С часто використовуеться а-випромпиовання радкшуклвдних джерел [33], це так званий 1м1тащйиий шдхщ. В щй робот опромшоння не корпусованих тестових прп-структур проводило-ся у спощальио розроблешй та виготовлешй лабо-раторшй установщ з використанням радкязотопних джерел а-випромшювання АИП-Н (1зотопний склад плутошю: 80% 238Ри, 15,8% 239Ри, 4,2% 240Ри, решта 241Ри, 242Ри). При радюактивному розпад1 виника-ють а-частки з енерпяо =4,5 МеВ, яш мають пробш ...
радио проникати в активш облает прп-структур. Безпосередньо вим1рювання @ до та шсля опромь нення тестових структур (розрахунок Ф^^дози а-опромшоння проводився 1з використанням пасиорт-них даних джерел) ироводилися 1з застосуваиням вим1рювача статнчннх вольт-амперннх характеристик планариих прп-структур [34], падключеного до стандартно! багатозондовсм установки. Похибка
...
стосовувався такий: Усе = 5, ^У; 1е = 1с < 5тА. Проведения опромшоння но поредбачало наявшсть олектричного режиму на тестов1й структур! (на-пруга живлоння, 1мпульсш сигнали на входо/виходо 1С). Залсжшсть, що апроксимус окспоримонтальш дан1 (^(Фа) - р1вняння, що описуе змшу коеф1ць снта посилення транзисторно1 прп-структури при а-опром1ненш), отримана з використанням програ-ми OriginPRO [35].
Доградащя коофщента посилення контрольних транзистор1в, виготовлених за стандартною технолоияо (N<36 = 0), описуеться [ ] р1внянням виду:
^Ое = 0 (фа)= + --^1,4=382 , (!)
1,04542-1011 )
де =0 = 414,43858; =0 = 13, 72586.
Опромшоння прп-структур, сформованих на пластинах 81Со з р1зним р1внем легування
Табл. 1 Залежшсть коефдаенпв р1вняння @Ng (Фа) в!д концентраци Go у вих1днш кромшсвш пластин!
Концентрация Ge, см 3 1,24019 2,54 О19 1,24 О20
ftNGe = 0 START 243,84124 465,80687 213,97619
PNGb = 0 END 4,96195 =0 21,60462
n 0,98501 0,83524 0,96638
к 6,278424010 5,669534 О10 1,652274 О11
ООВаЛОНТНОЮ ДОМ1ШКОЮ ПрГОВОДИТЬ ДО ПОВ1Ю1 ЗМ1-
ни характеру залежносп (функщя Hilll [37] в OriginPRO):
= An
Ge=0_START
+
Ge=0_END
- Pn,
Ge=0_START
Фа
(2)
k(NGe)n(Ng. ) ^
до чисслыи значения параметр1в piBiramra (2) наведено у Табл. 1:
Отримаш залежносп зручно пор1вняти, побуду-вавши 1х у MathCAD. Для Фа < 1011 см-2 характер зм1нн ft практично однаковнй для структур, виготовлених на пластинах з Nce = 0 та Nce = 2,5 • 1019см-3, а також NQe = 1,2 • 1019см-3 та Nqе = 1, 2 • 1020,см-3. При збшыиенш Фа > 1011 см-2 сиостсршаеться прискорена деградащя косфшдента шдсилоння прп-структур, виготовлених на пластинах N(3e = 2, 5 • 1019 см-3, Рис. 1. Отже, цей pisenb легування кремн1ю гермашем не прийнятний з по-гляду шдвшцення радоацпшо! CTifiKOCTi Si.
Рис. 2. Деградащя ft тестово! прп-структури (тов-щина бази 0,25 мкм), виготовлено! на монокриста-„шчних пластинах 81Се з р1зною концентращяо гер-машю при Фа > 1012см-2
Для прп-структур з товщииою бази 0,35 мкм результата обробки експерименталышх даиих з ра-д1ащйпо1 деградащ! ft при да опромшення з ви-користаиням програми Ol•iginPRO мають вигляд, приведений в Табл. 2:
Залежшсть ft ввд потоку а-часток шдтвер-джус можлившть уиовшыгення радоацпшеи деграда-Щ1 значения коофдаента шдсилення прп-структур на Б1Се (Рис. 3):
Рис. 1. Деградащя шдсилювалышх властивостей те-CTOBOi прп-структури (товщина бази 0,25мкм), на монокристал1чних пластинах SiGe з pi3iioio концон-тращею гермашю при а-опромшенш
При Фа < 1014см-2 рад1ащйна стшшсть прп-
=
1, 2 • 1019см-3, прпблпзно в два рази нижче, ни
=0
точки зору необхщний матер1ал, що забезиечус уиовшыгення деградащ! при великих дозах опромшен-ня, але таку вимогу для «вузько!» бази практично не задовольняе навиь SiGe с Nce = 1, 2 • 1020см-3, Рис. 2:
Рис. 3. Деградащя ft тестових прп-структур, виготовлених на SiGe з р1зним bmIctom германио (див. легенду до граф1ка) при дп а-випромшювання з енерпею «4,5 МеВ (товщина бази 0,35 мкм)
Для транзистор1в з «широкою» базою не спо-стеркаеться ефекту змши характеру деградащ! ft прп-структур, спостершаеться так звана "лопстична функщя з п'ятьма параметрами" (five parameters logistic function) [38]. Шдвшцоння радоацпшеи стШ-кост1 в 2-3 рази для тестових транзистор1в, виготовлених на пластинах SiGe, Nce = 7,5 •
х
Табл. 2 Коесрщенти р1вняння, що описують деградащю ft прп-структур, виготовлених на SiGe з pi3noio концонтращяо гермашю, Noc
Загалышй вид piBiramra Параметр N(3e, см 3
0 1, 3 • 1019 7, 5 • 1019
ft Amin + (Amax-Amin) A ■ mm 2,18988 = 0 0,9266
A max 207,32619 214,99176 210,52311
ft= i+(m-T xo l,08682-10u 7,71757T010 l,87228-10n
h 0,94929 1,16223 0,80807
s 1,11324 0,9124 1,0899
1 /л19 —Я
10 см , спостер1гаеться в широкому д1апазон1 доз а-опромшения, Рис. :
Рис. 4. Деградащя ft тестових прп-структур, виготовлених на пластинах SiGe з pi3iioio концентра-I ii (1о Ge при 1011 < Фа < 1014 см 2 (товщина бази 0,35 мкм)
Висновки з проведеного досл1д-ження та перспективи подаль-шого пошуку
Шдтворджено можлившть шдвшцоння рад1ацш-Iio'i CTiflKOCTi прп-структур 1С i3 вщносно широкою базою (0,35мкм) на пластинах SiGe, логованих гор-машем до Nce = 7, 5 • 1019 см-3. Ефект спостершае-ться у широкому д1апазош доз а-опромшення. Показано, що використання Nce = 1, 2 • 1019 см-3, 2, 5 •
1019 см-3 суттево знижуе рад1ащйну стшшсть тестових прп-структур.
Отримаш результати вказують на нообхщшеть проведения додаткових дослщжонь у двох наирям-ках. По-поршо, нообхщна розробка ф1зично1 модель яка поясшос мохашзм змши радоацпшем деградацй' коефщента посиления ft в залежносп в1д концен-трацй' Ge та ширини npn-бази транзистора. Подруге, нообхщно провести розрахунки змши вих1д-но1 иапруги низького р1вня ("лопчного нуля", Uol), вихщного iiiBepTopa лопчнеи 1С з використанням отриманих залежностей ,0(Фа) для шдтвердження можливосп суттевого шдвшцоння рад1ащйио1 стш-кост1 не тшьки tcctoboi прп-структури, а й схем,
що i"i використовують. У раз1 отримання суттсво по-зитивних результате доцшыго виготовити дослщну партаю 1С на пластинах SiGe з Nce = 7,5 • 1019 см-3 i провести i"i рад1ащйш випробування на модолюючШ установщ.
References
[1] Bos T., Banducci M. M, ot al. under the direction of the Chairman of the Joint Chiefs of Staff (C.JCS). ("2020). Space Operations.
[2] Thompson L. B. (2021). Ceospatial Intelligence. A Test Case for Washington's Emerging Industrial Policy. Lexington Institute.
[3] Magnuson S. (2022). Ukraine War Called 'Catalyst/ for Space-Based Remote Sensing Industry. National Defense.
[4] Dubovik O., Schuster C. L., Xu F., Hu Y., Bosch H., Landgraf.!, and Li Z. (2021). Grand Challenges in Satellite Remote Sensing. Frontiers in Remote Sensing, Vol. 2, 619818. doi: 10.3389/frsen.2021.619818.
[5] Green, .1. C., Likar, .1. 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.
[6] Zhang .1., 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.
[7] Zebrev, G. (2010). Radiation Ellerts in Silicon High Scaled Integrated Circuits. National Research Nuclear University MFPH1. DOLIO.13140/2.1.1278.9442.
[8] 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.
[9] Zastrow M. (2020). How to Improve Space Weather Forecasting. Eos, 101. doi: 10.1029/2020E0145780.
[10] Marlines, L. M. S. (2011). Analysis of LEO Radiation Environment and its Ellerts on Spacecraft's Critical Electronic Devices. Doctoral Dissertations and Master's Theses, 102.
[11] Technology Roadmap Update for Generation IV Nuclear Energy Systems. (2014). Issued by the OECD Nuclear Energy Agency for the Generation IV International Forum.
[12] Reed F. K., Ezell N. D. B.. Ericson M. N.. Britton C. L.. .Ir. ("2020). Radiation-Hardened Electronics for Reactor Environments. Oak Ridge. National Laboratory.
[13] 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.
[14] Iniewski. K. (2018). Radiation Etiects in Semiconductors (1st éd.). CRC Press.
[15] Baumann R.. Kruckmeyer K. (2020). Radiation Handbook for Electronics. A compendium of radiation etiects topics for space, industrial and terrestrial applications. Texas Instruments, 118 p.
[16] Higham E. (2021). Defense Market Trends and the Impact on Semiconductor Technology. Microwave .Journal.
[17] Ranita Basu (2022). A review on single crystal and thin lilm Si Ge alloy: growth and applications. Materials Advances, Vol. 3. pp" 4489-4513. DOl: 10.1039/D2MA00104G.
[18] Lambrechts W. & Sinha S. (2017). SiGe-based Reengineering of Electronic Warfare Subsystems. Part of the book series: Signals and Communication Technology (SCT). Springer Cham, 329 p. DOl: 10.1007/978-3-31947403-8.
[19] Singh R.. Harame D. L.. Oprysko M. M. (2004). Silicon Germanium: Technology. Modeling and Design. Wiley-IEEE Press, 371 p.
[20] Cressler .1. 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.
[21] Chen .1.. Vanhellemont .1.. Simoon 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. DOl: 10.1002/pssc.201000142.
[22] Uleckas A.. Gaubas E.. Rail 1. M.. Chen 1.. Yang D.. Ohyama H.. Simoon E. and Vanhellemont 1. (2011). Carrier Lifetime Studies in Diode Structures on Si Substrates with and without Ge Doping. Solid State Phenomena, Vols. 178179. pp 347-352. doi:10.4028/www.scientiiic.net/SSP.178-179.347.
[23] 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. DOl: 10.34185/1991-7848.2018.01.06.
[24] Ulyashin A. G.. Abrosimov N. V.. Bentzen A., et al. (2006). Ge composition dependence of the minority carrier lifetime in monocrystalline alloys of Sii-zCe^. Materials Science in Semiconductor Processing, Vol. 9. pp. 772 776. doi:10.1016/j.mssp.2006.08.021.
[25] Argunova T. S.. .lob 1. H.. Kostina L. S.. Rozhkov A. V. and Grekhov 1. V. (2013). Single Crystals Grown by the Czochralski Method: Defects and Electrical Properties. ACTA PHYS1CA POLONJCA A, Special Anniversary Issue: Professor Ian Czochralski Year 2013
Invited Paper. Vol. 124. No. 2. pp. 239-243. DOl: 10.12693/APhysPolA.124.239.
[26] Vanhellemont 1.. Chen 1.. Xu W.. Yang D.. Rail 1. M.. Ohyama H.. and Simoon E. (2010). Germanium Doping of Si Substrates for Improved Device Characteristics and Yield. ECS :l¥ansactions, Vol. 27. Iss. 1. pp. 1041-1046. DOl: 10.1149/1.3360748.
[27] Vanhellemont 1.. Chen 1.. Lauwaert 1.. Vrielinck H.. Xu W.. Yang D.. Rati 1. M.. Ohyama H.. Simoon E. (2010). Germanium doping for improved silicon substrates and devices. Preprint submitted to .Journal of Crystal Growth.
[28] Bytkin S. V.. Krytskaja T. V.. Radin E. G.. Goncharov v". 1.. Kunitskij Yu. 1.. Kobeleva S. P. (2012). Eksperimental:noe isslodovanio harakteristik tiristorov. izgotovlonnyh na Si<Ge>. pri dojstvii gamma-oblucheniya [An Experimental Study of the Characteristics of Thyristors. Manufactured on CZ Si<Ge>. Under the Action of Gamma Irradiation]. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki IMaterials of Electronics Engineering/. Vol. 3. pp. 45-48. https://doi.org/10.17073/1609-3577-2012-3-45-48.
[29] Santos. L. A. P. (2022). An Overview on Bipolar 1 unction Transistor cis a Sensor for X-ray Beams Used in Medical Diagnosis. Sensors, Vol. 22. Iss. 5. 1923. doi:10.3390/s22051923.
[30] 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/bl7868.
[31] Kustov V. E.. Kritskaya T. V.. Tripachko N. A.. Shakhovtsov V. 1. (1988). Vliyanie germaniya na vnutrennie uprugie napryazheniya v ki-slorodosodorzhashchom kremnii [Inlluonco 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.
[32] Dielectric Isolation in Integrated Circuits. (2011). Circuits Today.
[33] Sidorov D. V. (2013). Primenenie radionuklidnyh istochni-kov a-izlucheniya dlya imitacii nejtronnogo vozdejstvi-ya na kremnievye bipolyarnye tranzistory [Application of radionuclide sources of a-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 oiloktah [Abstract diss. Cand. Tochn. Sciences. Specialty: 05.27.01 Solid-state electronics, radio-electronic components, micro-and nanoelectronics. devices based on quantum etiects]. M.: Scientilic&Production Enterprise "Pulsar". 25 p.
[34] Izmeriteli harakteristik poluprovodnikovyh priborov LZ-56, L2-56A. TU 11-81.OMM2.756.00.1. Tekhnicheskoe opi-sanie i instrukciya po ekspluatacii [Indicators of characteristics of semiconductor devices LZ-56, L2-56A. TU 11-81.0MM2.756.00.1. Technical description and instruction manual].
[35] Tutorials for Origin. (2016). OriginLab Corporation.
[36] OriginLab. Category: Origin Basic Functions. Growth/Sigmoidal. Statistics. 30.1.104 Logistic.
[37] OriginLab. Category: Growth/Sigmoidal. 30.1.83 Hilll.
[38] OriginLab. Category: Growth/Sigmoidal. 30.1.105 Logi-stic5.
Radiation Resistance of Test npn IC Transistors with Dielectric Insulation, Manufactured on Silicon, Isovalently Doped with Germanium (SiGe)
Bytkin S. V., Krytskaja T. V.
There is a contradictory assessment of the possibility of germanium (Ge) use to increase the radiation resistance of silicon (Si) homogeneously doped with an isovalent impurity. A number of publications show that only a limited effect of germanium doping on the radiation stability of the pn-structure, irradiated by high-energy electrons is observed. Simultaneously there is a noticeable improvement in the radiation resistance of npnp-structures made on SiGe under 7-irradiation. In order to remove the contradiction, this work compares the ¡3 radiation degradation of test bipolar transistor npn Integrated Curcuit (IC) structures, manufactured using the same technology, "silicon with dielectric insulation", on isovalent germanium-doped SiGe silicon with different Ge content, Noe = 1, 2 • 1019 ... 1, 2 • 1020 cm-3. The static gain coefficient p is measured before and after a-irradiation. Irradiation of unencased npn structures with a-particles with an energy of 4.5 MeV carried out in a specially designed and manufactured laboratory installation using radioisotope sources; npn structures with two base thicknesses: 0.25 and 0.35 ^m are studied experimentally. The dependence approximating the experimental data, an equation, describing the change in the gain
factor of the transistor structure upon a-irradiation, obtained using the OriginPRO program. Obtained results for
structures with a base thickness of 0.25 ^m show a strong nonlinear dependence of ,0(equations on Noe- The degradation of the control transistors gain, manufactured
=0
bed by the S-curve. Irradiation of npn structures formed on SiGe wafers with different levels of doping with an isovalent impurity leads to a complete change of the nature of the dependence. For < 1011 cm-2 the nature of the change in ¡3 is practically the same for structures made on wafers with Noe = 0 and Noe = 2, 5 • 1019cm-3, as well as for NGe = 1, 2 • 1019 cm-3 and NGe = 1, 2 • 1020 cm-3. When increasing > 1011cm-2 there is an accelerated degradation of the gain factor of npn structures made on wafers with Noe = 2, 5 • 1019 cm-3. This level of doping of silicon with germanium is not acceptable from the point of view of Si radiation resistance. At < 1014 cm-2 radiation stability of npn structures made on SiGe wafers with Noe = 1, 2 • 1019 cm-3 approximately two times lower than the same of control structures with Nce = 0. For transistors with a base thickness of 0.35 ^m, no effect of changing the nature of the npn structures ,0(degradation. Observed dependence, which confirms the possibility of slowing down the radiation degradation of the amplification factor value of the npn structures made on SiGe. Increase in radiation resistance by 2-3 times for test transistors, made on SiGe wafers, doped with Noe = 7, 5 • 1019 cm-3, observed in a wide range of doses of a-irradiatïon, 1011 < < 1014cm-2.
Keywords: increase of radiation resistance; npn structure; doping of silicon with germanium; doping level with isovalent impurity; degradation of the amplification factor
