空间单粒子效应的研究

空间单粒子效应的研究

1航天器和器件的抗辐射加固技术在空间里移动的所有人类探测器和推进器都受到地球区域电粒、太阳宇宙射线等各种辐射的影响，并造成不同程度的损坏。另外,除天然辐射环境外,核武器爆炸也会对各种电子系统及元器件构成严重威胁。为避免在未来战争中遭受敌方毁灭性的打击,提高武器系统和卫星等航天器的抗辐射能力,当今世界上许多国家都在致力于抗核加固技术的研究。微电子器件的抗辐射加固技术是辐射环境下电子系统或装置可靠工作的保障。对电子元器件抗辐射加固技术的研究应从半导体材料着手,从Ge、Si到GaAs器件,人们开展了有关辐射对半导体材料和器件性能影响的研究,提出了从材料的选择到器件内部的元件结构、制作工艺、电路设计以及屏蔽封装等一系列加固技术,其中主要包括Si双极和CMOS器件、GaAs微波功率器件、新兴光电器件——VCSEL、LED以及MEMS等的抗辐射加固技术。2硅系材料在微器器件上的应用由于半导体材料对辐射的敏感性,美国早在50年代就着手于半导体材料的辐射效应研究,抗辐射材料的选择是最基本的加固考虑。抗辐射微电子材料包括Ge、Si、GaAs、蓝宝石上硅(SOS)、绝缘体上硅(SOI)、金刚石等。其中研究最多、最成熟的是硅材料。这是因为硅材料和器件制作成本较低、集成度高、电性能可满足大多数电子系统的要求,而其抗辐射能力较强,在一般辐射环境中有生存能力。GaAs外延材料具有较高的抗中子辐照和抗总剂量辐照的能力,薄弱环节是抗γ瞬时辐照的能力。现在发现了一种类似硅SOI结构的材料,即在有源区沟道和衬底之间形成一层绝缘层——Al2O3作为缓冲层的GaAs外延材料,这个缓冲层可有效地抑制由γ瞬时辐照产生的光电流和背栅效应对沟道电流的调制作用。这种材料可用于高速电子开关和高速数字电路。SOS器件的抗辐射能力比Si器件强,可能是目前所采用的抗辐射能力最强的微电子材料。使用SOS的缺点是片子易碎、面积小、成品率低、成本高。SOI技术是在绝缘衬底上形成单晶硅而制作数字和模拟器件的技术。它具有速度快、集成度高、工作温度范围宽(达350℃)、无闭锁、抗辐射能力强、工艺简单等特点,在发展高密度、低功耗、高速VLSI及高温高压和3DIC方面具有优势。SOI技术具有天然的抗空间单粒子效应的能力和抗高γ剂量率电离效应,抗总剂量已达到106rad(Si)以上,抗单粒子翻转(SEU)≤10-10次/位·日,无单粒子闭锁(SEL),抗γ瞬时辐照≥1012rad(Si)/s。抗中子辐射能力≥1015n/cm2。近年来这项技术迅速成熟,其抗辐射能力与SOS相当,成本却低得多。SOI技术的优点之一是亚阈值斜率大大降低,从长期考虑可能成为取代SOS的主流技术。加固水平在10Mrad以上,必须采用SOS器件,如果要求不高,在10k~15krad范围,则可采用SOI器件。金刚石材料还处于材料制备和器件制作的初步阶段,预计它将是抗辐射能力最强的微电子器件制作材料。另外,利用新发展起来的铁电材料与硅材料相结合,对存储器的加固有很好的效果。把稀土元素掺入硅单晶中可以在一定的程度上抑制辐射产生的缺陷,这种掺杂材料比常规单晶材料在电阻率的变化上表现出较好的抗中子辐照能力。3抗辐射增强si设备技术3.1总剂量响应问题由于双极电路具有强的电流驱动能力、好的线性特性和匹配特性以及增益高、负载能力强、工作速度快等优点,在模拟和数字IC中有广泛的应用。许多卫星和空间飞行器大量使用双极线性电路。当双极IC受空间的离子辐射时,将出现两个主要的失效机理:(1)场氧化层中由俘获的正电荷引起的漏电流;(2)单个晶体管电流增益(β=IC/IB)降低。然而,对用于线性IC的大多数双极技术来说,总剂量失效机理就是电流增益的降低。在总剂量环境下采用双极晶体管和IC最大的挑战之一即为低剂量率响应的预测。低剂量辐照要消耗很长时间,花销很大,所以研究出一种以传统的实验室剂量率为基础的抗辐射加固方法十分必要。对双极型器件来说,空间自然辐射环境的辐射剂量率典型值为10-4~10-2rad/s,显然,地面模拟实验不可能采用如此低的剂量率水平,通过高剂量率辐照地面模拟空间低剂量率效应是加速实验的中心问题。这就给总剂量辐射(γ、x和e)研究带来了新的课题。对于要用于空间和某些武器的低剂量率辐射环境下的双极线性电路,最好采用优化的双极线性工艺制作,使隔离氧化物的厚度减薄,以减少剂量率效应。由于提高温度可加快空穴的输运并消灭亚稳定俘获空穴,增加氧化层中正的净电荷的数量,建议在高温下进行辐照,这是一种在高剂量率下加剧退化的方法,从而使它和低剂量率下的结果相一致。通过实验可以确定,在60℃下进行辐照可大大加剧退化,并接近于低剂量率的退化。近10年来,为提高双极器件和电路抗辐射能力,器件设计方面采用介质隔离、薄膜电阻、小几何尺寸外形、金重掺杂、小集电区电阻率和小集电区厚度、光电流补偿、限流电阻等,已成为抗γ瞬态辐照强有力的加固手段。3.2s/sos抗辐射技术CMOS电路具有噪声容限高和功耗低的优点,因而特别适用于军事和空间领域。体硅CMOS加固技术是继双极加固技术之后迅速发展的一种技术。由于CMOSIC的最显著的优点是功耗低,而集成度比双极技术高,抗中子辐射能力强,所以是加固数字IC的主流技术。CMOS/SOS即是在合成蓝宝石绝缘衬底上外延硅制作CMOS器件的技术,它比较成功地解决了隔离问题。与Si器件相比,还能很好地解决硅CMOS器件的闭锁问题,大大提高了器件的抗单粒子扰动和瞬时γ剂量率辐射能力,64kSRAM抗辐射能力比硅CMOS高10~100倍。随着微电子器件的集成度向VLSI发展,器件的特征尺寸不断缩小以满足封装密度和器件性能的要求。与1980年末的器件相比,预计到2004年器件密度大约增加50倍。抗辐照CMOS必须考虑两种基本的按比例缩小方法:(1)高性能按比例缩小(用于微处理机类器件),其中大多数电路都在高运行周期下工作,速度或复合速度与功率都是主要的品质因数;(2)小功率电路,其中速度和总体性能不像功率需求那么重要。对于存储器来说还应加上一个第三种按比例缩小种类,这是由于存储技术与存储时间相关,主要考虑的是减小备用功率。4半导体器件器件GaAs晶体的电子迁移率比硅大5倍,因此它具有高速、高频、大功率、低功耗、宽工作温度范围(-200~400℃)、极高的抗γ总剂量辐射能力等优点,在军用领域受到重视。GaAsFET以肖特基势垒来控制沟道电流,以多子输运信息,所以抗电离辐射能力和中子能力均比SiMOSFET强,其中抗中子能力高达2×1015n/cm2。GaAsFET的栅结是肖特基势垒结,抗γ辐射能力高达108rad(Si)。MMIC和VHSIC均采用半绝缘衬底作隔离,比CMOS/体硅抗瞬时辐射能力强。用这些器件制作的微波毫米波集成电路(MIMIC)和超高速集成电路(VHSIC)具有高速度、低功耗、低噪声、宽频带和高增益等优点,已广泛应用于微波通信、卫星通信、雷达、电子对抗、遥控遥测及高速大型电子计算机中。化合物半导体器件发展最快最成熟的要推GaAsMESFET。GaAsMESFET在γ<107rad(Si)时,参数几乎不变,其抗中子辐射能力为1015n/cm2,比硅双极器件高一个数量级以上(约1.5个数量级),再加上它具有低的噪声系数,将成为下一代雷达和微波通信设备中最广泛利用的固体器件之一,在下一代高速逻辑电路及放大器中极有应用前景。制造具有较浓掺杂的沟道和较平坦的掺杂分布的器件将会增强GaAsMESFET对中子辐照的不敏感性。GaAs低噪声HEMT已广泛用于微波和毫米波领域,如卫星直接无线传送和接收系统。与双栅MESFET相比,器件中Cgs和Cgd表现有所不同,因此退化机理也有所不同。中子辐射造成异质结界面的原子移位,导致HEMT夹断电压漂移,实验证明,HEMT比MESFET的抗中子能力略高。由于电流在MESFET表面附近流动,因此MESFET的漏电流受表面耗尽层厚度的影响更大。我们用等效电路参数研究了P-HEMT的退化机理估计是由于2DEG密度的降低,MESFET器件的退化机理是耗尽层厚度的增加。单片微波集成电路(MMIC)已成为毫米波频率应用的关键器件,具有极佳的抗辐射性能,抗γ辐射能力在107rad(Si)以上,说明这些器件可在空间环境中抗γ辐照工作100年以上。通常P-HEMTMMIC的抗辐射能力比双栅MESFETMMIC要高。P-HEMTMMIC的γ辐照引起的漏电流的降低估计是由于二维电子气(2DEG)载流子密度的降低造成的。而MESFETMMIC的γ辐照引起的漏电流的降低估计是由于肖特基栅电极附近电子陷阱增加造成的。5mems器件辐射效应研究最近空军菲利浦实验室(PL)、Sandia国家实验室(SNL)、新墨西哥大学(UNM)及Honeywell技术中心(HW)联合研究了三种重要器件的辐射效应:AlGaAsVCSEL、AlGaN/InGaN/GaNLED以及多晶硅基微机械器件(MEMS)。这三种技术均被认为是相当有前景的未来空间应用技术。由于具有小尺寸和低功率特性要求,再加上结构的相对不灵敏性,与空间应用中甚感满意的LED相比,VCSEL的抗辐射能力提高了10倍,并适用于光互连。人们预测,VCSEL将在许多空间和航空电子应用的集成和性能提高中发挥越来越重要的作用,如高速-大规模并行信号处理器、光互连器、传感器和其它要求具有低输入功率、低散度、重量和尺寸降低的激光器的空间系统和平台。VCSEL可制作成二维阵列,在某些方面比边发射激光器(EEL)具有更好的性能。VCSEL对中子和γ辐照不敏感。GaN基LED在提高光显示和信息存贮系统性能方面极具应用潜力。然而实验数据表明在空间遇到质子和重离子可能使LED严重退化,需要进行其它辐射效应的研究以界定辐射灵敏程度和识别损伤机理。实验表明,SiCLED的辐照响应比GaAs及相关化合物LED小几百倍,因而也成为今后空间应用的光电器件的研究重点,而GaNLED的主流技术——蓝光LED也将成为未来研究的焦点。由于电子系统向小尺寸、低功耗发展,再加上成本不断降低等原因,MEMS器件被视为空间工作的理想器件。大多MEMS器件是以多晶硅设计为基础,多晶硅的辐射效应包括:用单高能重离子跟踪产品和介质产品的充电及电性能的变化。MEMS与微电子技术、光电子技术的混合技术正在取得研究进展。有关资料表明MEMS器件中辐射诱发效应实际上并不存在。研究光电子和微电子技术中的辐射效应的传统方法是使用源点尺寸达0.5mm的大面积辐射源。大面积源包括:线性电子加速器、同步回旋加速器、中子反应堆、x射线源和γ射线源。想屏蔽光电子器件只暴露器件某一部分是不实际的也是不可能的。为了加强光电子材料和器件辐射效应的研究,空军菲利浦实验室使用了一种新型离子微束辐射方法,就是将可变能量离子聚集成大约1μm的点,照射到选择区域上,沿着光电子器件结构特有长度并限制在特定的范围(深度)内,这种方法在研究辐射诱发效应中特别有效。结果发现,MEMS器件抗质子辐射十分有效,但在VCSEL和一个相对较低流量的GaNLED中观察到损伤。使用离子微束(也可看作核微探针)还可减小潜在辐射危险性,因为这种方法使研究人员接近目标材料成为可能,一般可以保持1~2米。这一结果标志着更安全、更精密和更经济有效的光电子器件和材料辐射效应研究新时代的到来。6单粒子效应研究空间辐射环境中的高能质子、中子、α粒子、重离子等都能导致航天器电子系统中的半导体器件发生单粒子效应(SEE),严重影响航天器的可靠性和寿命。单粒子具有空间分布广,能谱范围宽,受太阳活动影响大的特点,对星载器件尤其是微电路和功率器件存在着严重影响。多年来,单粒子效应的研究得到了广泛的重视并一直侧重在VLSI的单粒子翻转(SEU)和CMOS器件的单粒子闭锁(SEL)效应的分析与加固技术上。据美国40颗卫星资料统计,异常记录中的70%是由空间辐射效应引起的,而单粒子事件占了39%。另外,1971年至1986年国外发射的39颗同步卫星,由单粒子效应造成的故障占辐射总故障的55%。随着半导体技术的迅猛发展,航天器用半导体器件的集成度不断提高,器件的特征尺寸越来越小,单粒子效应越来越严重。因此,半导体器件的单粒子效应研究具有重大的现实意义和明确的应用价值。表1给出了已定义的单粒子效应类型。单粒子扰动(SED)主要发生于存储器件和逻辑电路中。应用于卫星上的CMOSVLSI、CPU、RAM、ROM经常受太空高能粒子的软损伤,造成单粒子扰动。单粒子扰动可造成通信卫星、气象卫星、资源卫星上的电子计算机失控,致使整个卫星失效,损失几千万美元。单粒子翻转(SEU)主要发生在存储器件和逻辑电路中。主要是高能中子或高能带电粒子通过电子元器件CPU或存贮器时引起的电离损伤,导致记录出错。MOS器件除NMOS外,一般比双极器件有更好的抗单粒子翻转能力。其中在外延衬底上制备的CMOS器件和CMOS/SOS、CMOS/SOI器件算得上抗单粒子翻转能力最好的器件。单粒子烧毁(SEB)主要发生在功率MOSFET和双极功率晶体管中。自1986年ROCKWELL公司的A.E.Waskierwicz等人发现由重离子引起的功率MOS器件的单粒子烧毁事件后,功率MOS器件的SEB效应成为目前国外SEE研究中极为活跃的领域。功率MOS器件的SEB效应研究在提高卫星航天器的在轨可靠性、长寿命和推动技术进步上具有重要的现实意义和广阔的应用前景。单粒子闭锁(SEL)发生于CMOS器件中。重离子和质子都可以导致单粒子闭锁。对于在轨运行的卫星,质子是导致单粒子闭锁的主要原因。所有这些效应中,单粒子烧毁、单粒子栅穿、单粒子位移损伤和单个位硬错误都为永久损伤,也称硬错误,器件彻底损坏。单粒子闭锁在不采取保护措施的情况下也会导致永久损伤。其它效应均为软错误,器件可以恢复正常状态。国内单粒子效应研究一直跟踪国外研究动态。对这项技术的三点建议是:(1)建立规范化的单粒子效应实验室和标准化的单粒子效应测试系统是本项工作的关键。(2)改进器件工艺,如SRAM采用典型的去耦电阻加固法,CMOS器件采用双阱工艺,提高器件的抗单粒子能力。(3)注意选择新型器件,如CCD、GaAs器件和FPGA技术等,开展单粒子效应研究工作。7屏蔽式电路封装集成电路管壳屏蔽技术能很有效地减轻辐射损伤,管壳屏蔽的主要优点是效果好、价格便宜、使用简单,可比在工艺上或芯片上采用加固措施节省大量的投资和人力物力。IC封装级屏蔽是1979年首