CMOS APS光电器件单粒子效应电荷收集特性仿真分析

卫星在轨飞行期间,星载电子器件将不可避免地遭受空间带电粒子的辐射,随着半导体技术的不断进步,电子器件的单粒子效应敏感性越来越高,已经成为一个影响其可靠性的重要因素。互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor Active Pixel Sensor,CMOS APS)光电器件因其低功耗、小体积和微重量的优点已成为遥感卫星成像的重要发展方向。为获取CMOS APS光电器件在遭受带电粒子辐射后性能变化的特征,在分析SOI MOSFET(Silicon on Insulator Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)结构和特性的基础上,通过理论分析和数值模拟,分析了重离子在CMOS APS光电器件中引起的辐射损伤,分析晶体管和光电二极管的电荷收集机理。通过TCAD(Technology Computer Aided Design)模拟了电荷收集过程,分析了影响漏电流变化的直接因素,获得了重离子LET(Linear Energy Transition)值、入射位置以及器件偏置电压与漏电流的相互关系,为后续CMOS APS的重离子模拟试验以及抗辐射加固设计提供了理论支撑。     

抗辐射加固高压NMOS器件的单粒子烧毁效应研究

由于施加高栅极工作电压,使得器件容易发生重离子辐射损伤效应,其中,重大的重离子辐射损伤效应是单粒子栅穿效应（SEGR）和单粒子烧毁效应（SEB）。本文介绍了抗辐射加固高压SOI NMOS器件的单粒子烧毁效应。基于抗辐射加固版图和p型离子注入工艺,对高压器件进行抗辐射加固,提高器件的抗单粒子烧毁能力,并根据电路中器件的电特性规范,设计和选择关键器件参数。通过仿真和实验结果研究了单粒子烧毁效应。实验结果表明,抗辐射加固器件在单粒子辐照情况下,实现了24 V的高漏极工作电压,线性能量传输（LET）阈值为835 MeV·cm2/mg。     

脉宽调制器单粒子效应测试系统研制

本文在分析脉宽调制器(PWM)单粒子效应主要失效模式的基础上,研制了具备频率异常测试、占空比异常测试和参考电压测试功能的PWM单粒子效应测试系统,并在中国原子能科学研究院HI-13串列加速器上开展了单粒子效应试验。试验结果表明:单粒子效应会导致PWM输出信号的脉冲丢失和占空比改变,脉冲丢失时间和占空比改变的持续时间有时可达数ms;UC1825AJ型PWM的单粒子效应LET阈值约为4.4MeV·cm2·mg-1,UC1845AJ型PWM的抗单粒子性能受工艺批次的影响较大。     

光电耦合器的单粒子瞬态脉冲效应研究

利用脉冲激光模拟单粒子效应实验装置研究光电耦合器HCPL-5231和HP6N134的单粒子瞬态脉冲(SET)效应.实验获得了相关器件的单粒子瞬态脉冲波形参数与等效LET的关系,并甄别出器件SET效应的敏感位置,初步分析了SET效应产生的机理.利用脉冲激光测试了光电耦合器的SET宽度与等效LET的关系,并尝试测试了两种光电耦合器的SET效应的截面,其中,HCPL-5231的实验结果与其他文献利用重离子加速器得到的数据符合较好,验证了脉冲激光测试器件单粒子效应的有效性.     

单粒子效应研究中提高LET值的特殊方法

为满足单粒子效应研究对更大的线性能量转移 (LET)值 ( 80MeV·mg- 1 ·cm- 2 以上 )的要求 ,在HI 1 3串列加速器上发展了用于高剥离态离子的加速、引出及 0°束Q3D磁谱仪焦面辐照技术。当用高剥离态 (Q1 =1 5 ,Q2 =2 5 )重离子1 2 7I 45°倾斜入射时 ,已得到的LET值为 86 7MeV·mg- 1 ·cm- 2 ,Si中射程约 2 0 μm。使用谱仪的散焦特性 ,辐照束的强度、均匀性和束斑大小可在大范围内调整 ,注量率为几十至 5× 1 0 5s- 1 ·cm- 2 ,均匀性好于 90 % ,束斑为1 0mm到5 0mm ,其纯度好于 98%。     

重离子和脉冲激光模拟单粒子翻转阈值等效性研究

根据重离子和脉冲激发诱发单粒子翻转机理,分析了重离子和脉冲激光模拟单粒子翻转阈值（激光能量与重离子线性能量转移（LET））等效方法，得出脉冲激光与重离子单粒子翻转阈值等效计算公式。应用实验室的激光模拟单粒子效应试验系统，开展了几种器件和集成电路的单粒子翻转实验研究。利用获得的计算公式计算激光等效LET阈值，并与国内外重离子实测数据进行比较。结果表明，脉冲激光能量等效LET阈值与重离子试验LET阈值较为一致。     

14 nm FinFET器件单粒子瞬态特性研究

为评估鳍式场效应晶体管（FinFET）的本征抗辐射能力,本文通过三维工艺计算机辅助设计（TCAD）仿真研究了14 nm FinFET工艺的单粒子瞬态（SET）特性。研究结果表明,在不同的线性能量传输（LET）值及不同的入射位置下,FinFET器件具有不同的单粒子敏感性。SET脉冲宽度随LET值的增大而展宽。此外,SET特性与粒子轰击位置的关系呈现出复杂性。对于低LET值（LET≤1 MeV·cm2/mg）,SET特性与重离子的入射位置具有很强的依赖性;对于高LET值（LET＞10 MeV·cm2/mg）,由于加强了衬底的电荷收集,SET特性与粒子轰击位置的依赖性减弱。     

单粒子效应辐射模拟实验研究进展

应用质子直线加速器进行了静态随机存取存储器(SRAM)的单粒子效应模拟实验研究.采用金箔散射法降低质子束流,研制了弱流质子束测量系统,测量散射后的质子束流,实验测得SRAM质子单粒子翻转截面为10-14 cm2/bit量级.利用重离子加速器和锎源进行了SRAM的单粒子效应实验.研究其单粒子翻转截面与重离子线性能量传输(LET)值的关系,得到了单粒子翻转阈值和饱和截面.实验表明252Cf源单粒子翻转截面与串列加速器的重离子单粒子翻转截面一致,说明对于SRAM,可以用252Cf源替代重离子加速器测量单粒子翻转饱和截面.与中国原子能研究院、东北微电子研究所合作开展了国内首次重离子微束单粒子效应实验.建立了大规模集成电路重离子微束单粒子效应实验方法,找到了国产SRAM的单粒子翻转敏感区.应用14MeV强流中子发生器进行了SRAM单粒子效应实验,测得了64K位至4M位SRAM器件14MeV中子单粒子翻转截面.用α源进行SRAM单粒子效应辐照实验,模拟封装材料中的232Th和238U杂质发射出的α粒子导致的单粒子翻转.测量α粒子射入SRAM导致的单粒子翻转错误数,计算单粒子翻转截面和失效率,比较三种器件的抗单粒子翻转能力,为器件的选型提供依据.并开展了路由器的α粒子辐照实验,复演了路由器在自然环境中的出错情况,为路由器的设计改进提供了依据.     

电流型PWM控制器单粒子脉冲瞬态效应的试验研究

采用理论分析与试验对比的方式,对脉宽调制(Pulse Width Modulation,PWM)控制器的脉冲激光模拟单粒子瞬态(Single Event Transient,SET)效应的等效性进行研究。对常用的电流型PWM控制器采用脉冲激光进行照射试验,通过改变激光能量得到不同条件下的试验数据,并与重离子照射条件下的试验数据进行对比。试验结果证实线状能量传递值LET(Linear Energy Transfer)=65.2 Me V·cm2·mg-1的868.3 Me V Xe重离子与波长1.064μm、能量为1–2 n J的脉冲激光产生的SET效应最为接近。试验结果为采用脉冲激光对同类型PWM控制器进行模拟SET试验提供了数据支撑。     

重离子单粒子效应实验研究

在HI—l3串列加速器上建立了对微电子器件进行单粒子效应模拟实验的辐照和检测技术。利用该Q3D磁谱仪获得种类和能量单一、强度分布均匀且足够弱的重离子辐照源，利用散射室内的半导体探测器和焦面上的位置灵敏半导体探测器监测辐照离子。用该装置和技术测量了在8个传能线密度(LET)值的重离子辐照下引起的几个存储器器件的单粒子翻转（SEI）截面o(L)。从测得的o(L)——LET曲线，结合空间重离子和质子辐照环境模型以及离子与微电子器件相互作用模型计算，预言了器件在空间的单粒子翻转率。     

空间单粒子效应加速器模拟试验技术及应用

空间环境中存在大量的高能粒子，单个高能粒子穿过航天器壳体轰击到电子器件，引发器件逻辑状态翻转、功能异常等单粒子效应，进而影响航天器的可靠运行和任务达成。基于地面加速器辐照试验模拟空间单粒子效应是评估电子器件在空间应用时发生单粒子错误风险的重要手段，只有其抗单粒子效应的指标符合宇航应用要求的器件才能在航天器中使用。航天器面临的空间辐射粒子主要是重离子和质子，它们诱发的单粒子效应也最为显著。开展宇航器件单粒子效应地面模拟试验主要依托重离子加速器和质子加速器，为满足单粒子试验需求，需要研发大面积束流扩束及均匀化、高精度束流快速诊断等技术，以及满足大批量试验任务需求的高效试验终端，重点介绍中国原子能科学研究院的基于加速器的重离子单粒子效应模拟试验技术、质子单粒子效应模拟试验技术和用于器件辐射损伤敏感区识别的重离子微束技术，以及上述技术在宇航器件单粒子效应风险评估中的应用。     

34提高LET值的有效途径——高剥离态离子及0°束Q3D焦面辐照方法研究进展

我国卫星器件重离子空间辐射效应研究的发展要求器件研究的LET值越来越大,由低的LET值重离子单粒子翻转（SEU）效应研究向着更大LET值的单粒子锁定（SEL）、单粒子击穿（SEGR）、单粒子烧毁（SEB）等效应研究发展,这相应要求加速离子更重,而且能量足够大,即要求LET值能到80以上,同时,还要求离子能穿过20μm以上Si材料。解决这一问题的途径是采用高剥离态离子及0°束Q3D磁谱仪焦面辐照方法。选取高的剥离电荷态可有效提高离子的能量,Q3D磁谱仪可工作在0°下,这样一来,0°离子能量较常规方法（定角度的散射离子）能量有很大提高。     

微处理器中子单粒子效应测试系统设计与试验研究

为开展微处理器的空间大气中子单粒子效应研究,以一款TI公司65 nm CMOS工艺的微处理器为研究对象,研制了一套微处理器中子单粒子效应测试系统。该测试系统可实现对被测微处理器的单粒子翻转、单粒子功能中断和单粒子闩锁效应的实时监测。利用加速器中子源,对该微处理器开展14 MeV中子辐照试验。试验结果表明,中子注量累积达3?5×1011 cm-2时,该器件未发生单粒子锁定效应。但总线通信、模数转换等功能模块发生了多次单粒子功能中断,其中集成总线通信接口模块为最敏感单位,试验获得的器件中子单粒子效应截面为6?6×10-11 cm2。     

CMOS器件SEL效应电路级防护设计及试验验证

利用脉冲激光单粒子效应试验装置,开展了两种CMOS SRAM器件IDT71V416S和K6R4016V1D单粒子闭锁(SEL)效应的研究。基于CMOS电路结构SEL效应的机理及触发条件,分析两种CMOS器件的闩锁响应特性,设计了两种CMOS器件SEL效应防护电路,并探讨了两种防护电路的适用范围及限流电阻、恒流源电流的选取。利用脉冲激光和重离子辐照试验验证了两种防护方法的防护效果。结果表明,当器件工作电流和闩锁维持电流相差不大时,加入限流电阻虽能降低闩锁电流幅值,但电路不能自动退出闩锁状态。恒流源限流防护电路不但降低了SEL电流的幅值,而且自动退出闩锁状态,能更有效地减缓CMOS器件电路级闩锁效应。     

CMOS图像传感器单粒子效应及加固技术研究进展

互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)图像传感器(CMOS Image Sensor,CIS)在空间应用时会受到单个粒子辐照影响,这通常会导致CIS采集图像出现异常,严重时会导致器件功能失效。本文从不同粒子的角度:重离子、质子、电子和中子,从CIS容易发生的单粒子效应类型:单粒子瞬态(Single Event Transient,SET)、单粒子翻转(Single Event Upset,SEU)、单粒子闩锁(Single Event Latchup,SEL)、单粒子功能中断(Single Event Functional Interrupt,SEFI)等方面综述了CIS单粒子效应研究进展。简要介绍了CIS单粒子效应加固技术研究进展。分析总结了目前CIS单粒子效应及加固技术中亟待解决的问题,为今后深入开展相关研究提供理论参考。     

总剂量和重离子协同作用下浮栅单元错误的退火特性研究

针对25 nm商用Flash存储器,利用中国科学院新疆理化技术研究所的60Coγ射线源和兰州重离子加速器先后进行了总剂量效应和单粒子效应实验。实验中器件先辐照30 krad(Si)的γ射线,然后再辐照不同线性能量转移(Linear Energy Transfer,LET)的重离子,得到了不同条件下Flash存储器浮栅单元错误的退火特性。实验结果表明与只进行重离子辐照相比,总剂量和重离子协同作用下器件浮栅单元错误消失的比例会发生变化,且在不同LET离子的辐照下表现出相异的趋势。分析认为辐照总剂量会引起浮栅单元电荷丢失和电荷俘获,影响浮栅单元的错误退火特性。     

65nm三阱CMOS静态随机存储器多位翻转实验研究

利用4种不同线性能量转换值的重离子对一款65nm三阱CMOS静态随机存储器(SRAM)进行重离子垂直辐照实验,将多位翻转图形、位置和事件数与器件结构布局结合对器件单粒子翻转截面、单粒子事件截面及多位翻转机理进行深入分析。结果表明,单粒子事件截面大于单个存储单元内敏感结点面积,单粒子翻转截面远大于单个存储单元面积。多位翻转事件数和规模的显著增长导致单粒子翻转截面远大于单粒子事件截面,多位翻转成为SRAM单粒子翻转的主要来源。结合器件垂直阱隔离布局及横向寄生双极晶体管位置,分析得到多位翻转主要由PMOS和NMOS晶体管的双极效应引起,且NMOS晶体管的双极效应是器件发生多位翻转的主要原因。     

空间单粒子翻转甄别与定位系统原理样机的设计及试验

单粒子翻转（SEU）是影响空间电子设备可靠性的重要因素,本文提出了一种SEU甄别与定位技术方法,研制了原理样机。硅探测器与辐照敏感器件在垂直方向相互临近安装,粒子入射到硅探测器的位置区域与目标辐照器件单粒子翻转的物理位置相对应。采用波形数字化技术实现了多道粒子甄别与能量信号测量,通过数据回读比较法实现了SRAM器件翻转逻辑定位检测。根据实验室测试和单粒子辐照试验结果,可探测高能粒子的LET≥6?06×10-3 MeV·cm2/mg,入射粒子的位置分辨率优于5 mm,最大计数率≥10 000 s-1,SRAM器件的SEU巡检周期时间分辨率为13?76 ms。通过掌握大容量SRAM型器件的SEU甄别与定位及其辐射环境感知能力,有助于提升空间电子设备的在轨工作性能。     

欧空局单粒子监督器在北京HI-13串列加速器上的单粒子效应校核实验

为检验北京HI-13串列加速器单粒子效应(SEE)实验能力与数据测量的可靠性,利用束流参数校核系统——欧空局单粒子监督器进行了单粒子效应校核实验。实验使用C、F、Cl、Cu 4种离子辐照单粒子监督器,通过改变入射角度获得了有效LET值在1.8~67.4 MeV·cm~2·mg~(-1)之间的单粒子翻转(SEU)截面数据。实验结果与比利时HIF、芬兰RADEF装置上测得的截面数据一致性较好,证实了北京HI-13串列加速器单粒子效应实验束流参数测量的准确性及截面数据测试的可靠性。     

CMOS APS用移位寄存器抗SEU加固方法

电离辐射环境中使用的CMOS 有源像素图像传感器(APS)的基于反相器的准静态移位寄存器容易发生单粒子翻转(SEU),而致使CMOS APS不能正常工作。本文对基于反相器的准静态移位寄存器中的单粒子翻转效应进行了分析,其对单粒子瞬态(SET)最敏感的节点存在于反相器的输入端,反相器的输入阈值电压和输入节点电容决定了其抗SEU的能力。提出了用施密特触发器代替反相器的加固方案,因施密特触发器的电压传输特性存在一滞回区间,所以有更高的翻转阈值,从而可获得更好的抗SEU能力。仿真结果表明,采用施密特触发器的移位寄存器结构较原电路结构的抗SEU能力提高了约10倍。