偏置与几何结构对波导集成锗硅p-i-n光电二极管电离效应的依赖性研究

《IEEE Transactions on Nuclear Science》：Bias and Geometry Dependent Ionization Effects on Waveguide-Integrated Germanium-on-Silicon p-i-n Photodiodes

本研究针对空间辐射环境中硅光子集成电路的可靠性需求，系统评估了10-keV X射线辐照下波导集成垂直p-i-n锗硅光电二极管的总电离剂量效应。研究人员通过对比三种不同几何结构与掺杂设计的光电二极管发现，采用局部p+接触掺杂的高效器件在-2V偏压条件下暗电流增加达100%，其敏感性源于Ge/SiO2界面处的电离诱导陷阱电荷。技术计算机辅助设计模拟证实，偏压辐照会增强界面电场从而加剧性能退化，而正向偏压退火可通过注入增强隧穿实现50%以上的性能恢复。该研究为航空航天用光子器件设计提供了关键的辐射耐受性设计准则。

　　

随着硅光子技术在下一代光学数据传输链路中的崛起，其在尺寸、重量和功耗方面的显著优势使其成为空间任务中大气传感、卫星通信等应用的有力候选。然而，太空环境中的高能辐射对光子集成电路元件构成了严峻挑战。特别是在近红外波段广泛使用的波导集成锗硅垂直p-i-n光电二极管，作为光信号转换为电信号的关键部件，其辐射耐受性直接决定整个系统的可靠性。虽然前期研究表明辐射对光电二极管的响应度和高速性能影响有限，但暗电流的增加会抬高系统噪声基底，随着电路复杂度的提升，这种效应可能被放大。目前对于偏压条件、几何设计和退火效应等关键因素如何影响总电离剂量响应的系统性认知仍存在空白。

为深入探究这些问题，Anurag R. Veluri等研究人员在《IEEE Transactions on Nuclear Science》上发表了最新成果。研究团队采用10-keV X射线辐照实验结合技术计算机辅助设计模拟的方法，对比分析了imec iSiPP50G平台上制备的三种锗硅光电二极管。实验设计包含关键参数控制：通过步进应力法实现最高2 Mrad(SiO₂)的累积剂量，分别考察接地与-2V工作偏压条件；利用源测量单元监测暗电流演变；通过Synopsys Sentaurus工具提取电场分布；采用特定时序的电流-电压扫描研究退火动力学。样本队列包括17个验证器件，确保统计显著性。

几何结构对TID效应的影响

研究发现器件几何特征显著影响辐射敏感性。具有局部p+接触掺杂的VPIN-HE器件在接地辐照下表现出最强的暗电流退化，在-1V偏压时相对增加量达160%，是连续掺杂设计的2倍以上。

这种差异归因于局部掺杂设计增大了p+-Ge/i-Ge结在Ge/SiO₂界面处的敏感周长，使界面陷阱电荷更易通过增强肖特基-读-霍尔复合和陷阱辅助隧穿机制提升暗电流。而连续掺杂结构则通过静电屏蔽效应减弱了辐射诱导电荷的影响，揭示了光电二极管性能与辐射耐受性之间的内在权衡关系。

偏置依赖性对TID效应的影响

偏压条件被证实是影响退化程度的关键因素。在-2V工作偏压下辐照时，所有器件的暗电流相对增加量趋于一致（140%-183%），较接地条件显著提升。

技术计算机辅助设计模拟显示，工作偏压会在Ge/SiO₂界面处产生更强的电场和电势梯度，这种场增强效应加速了氧化物中电荷的俘获过程。值得注意的是，偏压辐照使系统噪声基底普遍升高约2dB，这强调在实际工况下评估辐射效应的必要性，因为接地测试可能低估器件的真实退化程度。

退火

退火实验揭示了有趣的恢复现象。在2 Mrad(SiO₂)辐照后，仅静置24小时未观察到暗电流恢复，但施加包含正向偏压的电流-电压扫描可立即实现50%以上的性能恢复。

这种注入增强型恢复归因于正向偏压下电子通过隧穿效应中和界面陷阱电荷的机制。重要的是，该现象在接地和偏压辐照条件下均出现，表明大部分损伤集中在Ge/SiO₂界面区域，这为空间系统中光子集成电路的在线修复提供了可行性方案。

本研究通过多维度实验揭示了锗硅光电二极管总电离剂量效应的物理机制。研究证实局部p+掺杂设计虽然能提升器件效率，但会以牺牲辐射耐受性为代价；工作偏压通过场增强效应显著加剧性能退化；而正向偏压退火可作为有效的损伤修复手段。这些发现不仅深化了对光子器件辐射损伤机制的理解，更为航空航天用光子集成电路的设计提供了重要指导：在器件选型阶段需综合考虑性能与辐射耐受性的平衡，在系统运行阶段可通过定期施加正向偏压实现性能维护。该研究建立的偏压相关测试方法学，为未来高可靠性光子器件的评估树立了新标准。