绝缘体上硅MOSFET中质子碰撞效应的稳态与瞬态响应对比分析

《Scientific Reports》：Comparative analysis of proton collision effects in silicon on insulator MOSFETs using steady-state and transient responses

　　

摘要

质子辐照通过多种空间分布不同的机制导致 MOSFET 性能退化，但区分主要的损伤位点仍具挑战性。本工作展示了一项针对质子辐照部分耗尽绝缘体上硅（PDSOI）nMOSFET 的区域分辨电气特性研究，重点关注 Si/SiO₂ 界面态、体-源/漏结以及栅极绝缘体（GI）处的退化情况。器件分别接受 15 MeV 和 100 MeV 质子辐照，通量为 10¹² 和 10¹³ p/cm2，对应的估计总电离剂量（TID）分别约为 15 MeV 下的 0.43 和 4.3 Mrad 以及 100 MeV 下的 0.10 和 1.0 Mrad，并通过电气测量进行了表征。在转移特性中，亚阈值摆率增大、迁移率退化，以及正向阈值电压偏移和滞后现象增强，表明产生了大量陷阱。从亚阈值区域提取的界面陷阱密度在所测试的质子能量和通量组合中系统性增加，从而实现了对界面损伤的定量追踪。重要的是，辐照后输出特性中的膝点行为被显著抑制，这与悬浮体效应减弱相一致。结分析（通过寄生二极管 I-V 特性和激光辅助体电流瞬态）揭示了 SRH 复合增加、载流子寿命缩短以及耗尽区缺陷密度升高。导通状态偏置下延长的电流瞬态进一步佐证了栅极绝缘体退化，表明存在缓慢的氧化物陷阱填充。在所有测试条件下，15 MeV 质子引起的电气退化强于 100 MeV 质子，这与其更高的线性能量传递（LET）以及在器件有源区域内更有效的能量沉积相一致。这些发现提供了在典型质子能量条件（15 MeV 和 100 MeV）下 PDSOI MOSFET 质子诱导退化的基于测量的对比图景，为 SOI 器件中辐射诱导退化路径提供了定性的物理见解。