一种高温单粒子效应测试系统的设计与实现

航天器件在空间环境中存在着单粒子效应,根据研究可知高温会提升单粒子效应的敏感性,因此为了更好地评估器件的抗辐射性能,有必要建立一套高温单粒子效应测试系统.通过建立高温单粒子效应测试系统,选择ASIC和SRAM进行高温测试实验,完成了电路高温下的单粒子效应检测,证明了温度提升单粒子效应敏感性的事实.     

一种基于Weibull函数的单粒子注入脉冲模型

单粒子效应是当前集成电路抗辐射加固的研究重点之一.根据空间辐射粒子特点,提出一种基于Weibull函数的单粒子注入脉冲模型,该模型利用Weibull函数对瞬时脉冲直接进行电路级描述.实验证明,该模型与传统器件级电流注入脉冲模型的SER统计数据拟合度高达98.41%,同时可将电路模拟时间缩短3个数量级,在高速超大规模集成电路的单粒子效应研究中,具有明显的模拟速度优势,为深亚微米级的抗辐射加固研究提供了坚实的理论基础.     

纳米级CMOS集成电路的单粒子效应及其加固技术

空间应用的集成电路受到辐射效应的影响,会出现瞬态干扰、数据翻转、性能退化、功能失效甚至彻底毁坏等问题.随着器件特征尺寸进入到100nm以下（以下简称纳米级）,这些问题的多样性和复杂性进一步增加,单粒子效应成为集成电路在空间可靠性应用的主要问题,给集成电路的辐射效应评估和抗辐射加固带来了诸多挑战.本文以纳米级CMOS集成电路为研究对象,结合近年来国内外的主要技术进展,介绍研究团队在65nm集成电路单粒子效应和加固技术方面的研究成果,包括首次提出的单粒子时域测试和分析方法、单粒子多节点翻转加固方法和单粒子瞬态加固方法等.     

TCAD结合SPICE的单粒子效应仿真方法

为解决传统集成电路抗单粒子加固设计中存在的不足,利用TCAD及SPICE软件,探索出一种单粒子效应仿真与电路抗辐射加固设计相结合的方法。该方法通过TCAD软件的器件建模、仿真单粒子效应对器件的影响,得出器件在单粒子辐射条件下的3个关键参数。利用SPICE软件将此参数转化为模拟单粒子效应的扰动源,进而指导电路抗单粒子效应的加固设计工作。通过对一款SRAM的加固设计及辐射试验对比,证明了该方法的正确性和有效性,同时也为以后单粒子效应设计加固提供了依据。     

P沟道VDMOS器件抗辐射加固技术研究

针对功率器件的抗辐射加固技术,从入射粒子对半导体材料的辐射损伤机理出发,设计了一种-150 V抗辐射P沟道VDMOS器件。该器件采取的抗辐射加固措施有:在颈区的上方形成局部厚场氧化层结构;在N体区进行高剂量离子注入掺杂;在850 ℃低温条件下生长栅氧化层。通过仿真分析和试验进行了验证,该器件在最劣漏偏置条件下抗总剂量达到3 kGy,抗单粒子烧毁和单粒子栅穿的LET值为99.1 MeV·cm²/mg。该器件适用于星用抗辐射DC-DC电源系统。     

SiC MOSFET单粒子漏电退化的影响因素

高压功率器件是未来航天器进一步发展的关键,对SiC金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)等高压大功率器件的抗辐射研究亟待突破。在不同偏置条件下对器件的单粒子效应(SEE)进行实验,结果表明,SiC MOSFET单粒子漏电退化效应与漏源电压、离子注量以及反向栅源电压呈正相关。为进一步研究SiC MOSFET单粒子效应机理,结合实验数据进行TCAD仿真,发现器件发生单粒子效应时存在两种失效模式,第一种失效模式与Si基MOSFET类似,而第二种失效模式与SiC器件的特有结构密切相关,容易形成更高的分布电压,导致栅氧化层烧毁失效。该结果为抗辐照加固器件的研究提供了理论支撑。     

基于Geant4的三维半导体器件单粒子效应仿真

在空间中,辐射粒子入射半导体器件,会在器件中淀积电荷.这些电荷被器件的敏感区域收集,造成存储器件(如静态随机存储器(SRAM))逻辑状态发生变化,产生单粒子翻转(SEU)效应.蒙特卡洛工具-Geant4能够针对上述物理过程进行计算机数值模拟,可以用于抗辐射器件的性能评估与优化.几何描述标示语言(GDML)能够在Geant4环境下对器件模型进行描述.通过使用GDML建立三维的器件结构模型,并使用Geant4进行不同能量质子入射三维器件模型的仿真.实验结果表明,在三维器件仿真中低能质子要比高能质子更容易引起器件的单粒子翻转效应.     

微电子器件的抗辐射加固技术

对各类微电子材料的抗辐射特性进行了分析 ,对 Si双极器件和 Si CMOS器件、 Ga As微波功率器件、新兴光电器件—— VCSEL、 LED以及 MEMS的抗辐射加固技术进行了探讨 ,对几种空间单粒子效应 (SEE)进行了研究     

锗硅异质结双极器件单粒子效应与加固技术研究进展

锗硅异质结双极晶体管(Silicon-Germanium Heterojunction Bipolar Transistors, SiGe HBT)具有高速、高增益、低噪声、易集成等多种优势,广泛应用于高性能模拟与混合信号集成电路。同时,基区能带工程带来的优异低温特性以及良好的抗总剂量、抗位移损伤能力使其拥有巨大的空间极端环境应用潜力。然而,SiGe HBT固有的器件结构使其对单粒子效应极为敏感,并严重制约了SiGe电路综合抗辐射能力的提升。针对上述问题,综述了SiGe HBT单粒子效应及加固技术的研究进展,详细阐述了SiGe HBT单粒子效应的基本原理,分析了影响单粒子效应敏感性的关键因素,并对比了典型加固方法取得的效果,从而为抗辐射SiGe工艺开发和电路设计提供参考。     

保护环对130nm体硅PMOS抗单粒子瞬态特性的影响

基于TCAD（TechnologyComputerAidedDesign）仿真软件,通过对带有不同宽度保护环的130nto体硅PMOS器件进行单粒子辐照仿真,研究了保护环结构对深亚微米器件因单粒子辐照所产生的寄生双极效应．仿真结果表明,保护环结构能够大幅缩短器件SET（SingleEventTransient）电流的脉冲宽度,有效抑制寄生双极电荷收集,这种抑制作用随着保护环宽度增加而增强,最终趋于稳定．通过对加固器件的面积和抗辐射性能的折衷考虑,改进了保护环结构,并以宽度为0．38μm的保护环为例,证明了改进后的结构能够在保证器件抗单粒子性能及电学特性,同时节省29．4％的面积．     

N阱掺杂对PMOS管的SET效应影响研究

基于Synopsys公司的3D-TCAD器件仿真软件,在65 nm体硅CMOS工艺下研究了场效应晶体管(FET)抗辐射性能与工艺参数的关系,分析了N阱掺杂对单管PMOS单粒子瞬态脉冲(SET)效应的影响。针对PMOS管SET电流的各组分进行了分析,讨论了粒子轰击后器件各端口电流的变化情况。研究结果表明,增大N阱掺杂浓度能有效降低衬底空穴收集量,提升N阱电势,抑制寄生双极放大效应,减少SET脉冲宽度。该研究结果对从工艺角度提升PMOS器件的抗辐射性能有指导意义。     

一种多模式SRAM单粒子试验系统的设计与实现

提出了一种基于NIOS II的异步SRAM单粒子效应检测系统,用于评估抗辐射加固SRAM电路的抗单粒子效应能力.该检测系统可以对异步SRAM进行四种工作模式下的动态和静态检测,利用该检测系统在重离子加速器上对一款异步SRAM进行了单粒子效应试验,获得了5种离子的试验数据,统计分析后得到了器件的单粒子翻转阈值、单粒子翻转饱和截面和单粒子翻转在轨错误率,并与国外同款电路进行了对比,最后依据试验结果给出了评估结论.     

体硅集成电路版图抗辐射加固设计技术研究

辐射效应是电路在太空等领域应用时遇到的首要问题,常常会引起电路出错或失效。为了满足抗辐射电路设计的需求,必须提高电路抗辐射效应的能力。文章分析了辐射效应对器件产生的影响。针对电路在辐射环境中应用时存在的问题,文章从版图抗辐射设计加固的角度出发,介绍了抗总剂量的环形栅、倒比例器件,以及抗单粒子昆倾效应抗辐射版图的设计方法。在电路设计时,通过上述几种版图设计方法的应用,可以提高电路的抗辐射性能,进而提高电路的可靠性。     

集成电路单粒子瞬态效应与测试方法

随着器件尺寸的等比例缩小,单粒子瞬态效应对集成电路的影响愈发明显,其产生机理及作用更加复杂。从集成电路单粒子瞬态脉冲的产生机理及模型出发,讨论分析了模拟和数字集成电路的单粒子瞬态效应,介绍了单粒子瞬态脉冲宽度的测试方法与测试结构。     

微电子器件的抗辐射加固技术

对各类微电子材料的抗辐射特性进行了分析，对Si双极器件和Si CMOS器件、GaAs微波功率器件、新兴光电器件件-VCSEL、LED以及MEMS的抗辐射加固技术进行了探讨，对几种空间单粒子效应（SEE）进行了研究。     

CMOS集成电路的抗辐射设计

随着商业微电子器件抗辐射能力的提高,使得对专用集成电路(ASIC)从设计上进行抗辐射加固成为可能.本文介绍了CMOS器件的抗电离辐射的主要加固设计方法,认为在商业工艺上可以获得低成本的中等复杂程度和耐辐射能力的专用集成电路(ASIC).     

集成电路单粒子瞬态效应与测试方法

随着器件尺寸的等比例缩小,单粒子瞬态效应对集成电路的影响愈发明显,其产生机理及作用更加复杂。从集成电路单粒子瞬态脉冲的产生机理及模型出发,讨论分析了模拟和数字集成电路的单粒子瞬态效应,介绍了单粒子瞬态脉冲宽度的测试方法与测试结构。     

功率VDMOS器件的SEB致SEGR效应研究

功率VDMOS器件是航天器电源系统配套的核心元器件之一,在重粒子辐射下会发生单粒子烧毁(SEB)和单粒子栅穿(SEGR)效应,严重影响航天器的在轨安全运行。本文在深入分析其单粒子损伤机制及微观过程的基础上,发现了功率VDMOS器件在重粒子辐射下存在SEBIGR效应,并在TCAD软件和¹⁸¹Ta粒子辐射试验中进行了验证。引起该效应的物理机制是,重粒子触发寄生三极管,产生瞬时大电流,使得硅晶格温度升高,高温引起栅介质层本征击穿电压降低,继而触发SEGR效应。SEBIGR效应的发现为深入分析功率MOSFET器件的单粒子辐射效应奠定了理论基础。     

双阱CMOS器件单粒子瞬态效应机理研究

介绍了一种65 nm 双阱CMOS工艺设计的六管SRAM单元的抗辐射性能。通过三维有限元数值模拟的方法,分析了SRAM单元的单粒子瞬态效应在NMOS管中的电荷收集过程和瞬态脉冲电流的组成部分,并提出一种高拟合度的临界电荷计算方案。双阱器件共享电荷诱发的寄生双极放大效应对相邻PMOS管的稳定性有着显著的影响,高线性能量传输提高了器件单粒子翻转的敏感性。电学特性表明,全三维器件数值仿真的方法能够有效评估因内建电势突变产生的瞬态脉冲电流。该方法满足器件仿真对精确度的要求。     

基于FPGA的ASIC芯片抗辐射性能评估系统

针对航天电子控制系统对集成电路的抗辐射需求,设计了一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的全新架构的专用集成电路(ASIC)抗辐射性能评估系统。该系统基于FPGA高性能、高速度、高灵活性和大容量的特性,不仅具备传统芯片评估系统的能力,还具备精确判定失效事件发生时刻、被测ASIC时序、内部状态及大致的内部路径位置的能力。对该系统进行单粒子翻转(SEU)辐射试验,试验结果表明,在81.4 MeV·cm²·mg^-1的线性能量转移阈值下,该系统能自动判别没有发生SEU事件。目前,该系统已成功应用于自研高可靠性ASIC芯片抗辐射性能的评估。