半导体器件辐射效应及抗辐射加固

随着空间技术、核技术和战略武器技术的发展,各种电子设备已经广泛用于人造卫星、宇宙飞船、运载火箭、远程导弹和核武器控制系统中。构成电子设备的电子元器件不可避免地要处于空间辐射和核辐射等强辐射应用环境之中,辐射作用会对元器件性能造成不同程度的破坏,进而使整个电子设备发生故障。介绍了微电子器件应用中可能遇到的两类辐射环境,着重分析了辐射对半导体材料与器件的作用机理和不同类型器件的辐射诱生失效模式,分别介绍了对双极型器件和MOS器件进行辐射加固的主要方法。     

无结器件的单粒子辐射效应

介绍了一种新型沟道非均匀掺杂的双栅无结金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。采用Sentaurus TCAD仿真软件对不同沟道掺杂浓度(NSC)的沟道非均匀掺杂双栅无结MOSFET和传统双栅无结MOSFET进行了电特性与单粒子辐射效应对比研究,并分析了不同源端沟道掺杂与源端沟道长度(LSC)下新型双栅无结MOSFET的单粒子辐射特性。仿真结果表明,新型双栅无结MOSFET的电学特性与传统双栅无结MOSFET相差不大,但在抗单粒子辐射方面具有优良的性能,在受到单粒子辐射时,可有效降低沟道内电子-空穴对的产生概率,漏极电流与收集电荷都低于传统无结器件,同时还可以降低寄生三极管效应对器件的影响。     

光纤陀螺光学器件的空间辐射效应及防护技术

针对光纤陀螺用光学器件在空间辐射环境下受电离损伤和位移损伤影响性能下降的问题,分别分析了光纤、SLD光源、PIN-FET探测器的空间辐射效应。为保证光纤陀螺在空间的工作性能,从被动屏蔽和主动加固两方面讨论了光学器件的辐射防护技术。考虑到不同光学器件对不同类型辐射损伤的敏感性以及航天器载荷对重量的严格要求,从电离损伤屏蔽和位移损伤屏蔽两方面对屏蔽厚度进行了优化设计。通过对各光学器件辐射效应机理的分析,讨论了提高光学器件本身抗辐射能力的主动加固技术。     

IGBT的总剂量辐射效应及加固

本文研究一种“反程序”辐射加固工艺，将所有的高温处理过程放在栅氧化之前，并使栅氧化后续工艺低温化，在此基础上，采用“反程序”辐射加固工艺研制出的IGBT加固器件，其抗总剂量辐射性能远远优于采用常规工艺制造出的IGBT器件。对于栅氧化层厚度为70nm的加固器件，在VGS=十10V（直流和脉冲）、VGS=OV等不同栅偏量下，辐射剂量达到IX10~3（Gy（St))时，阈值电压的漂移量小于一1．OV，跨导变化小于10％。采用此工艺，预计抗总剂量辐射能力可达到10~4Gy（Si）以上。     

COTS器件的空间辐射效应与对策分析

空间辐射环境是影响COTS(Commercial-off-the-shelf)器件的主要空间环境要素之一。通过分析空间辐射环境的主要来源,研究了空间辐射环境诱发的辐射效应,主要包括单粒子效应、总剂量效应、位移损伤效应等,提出了针对关键COTS器件的抗辐照的防护措施。     

130 nm NMOS器件的单粒子辐射电荷共享效应

研究了同一p阱内两个130nm NMOS器件在受到重离子辐射后产生的电荷共享效应。使用TCAD仿真构造并校准了130nm NMOS管。研究了在有无p+保护环结构及不同器件间距下,处于截止态的NMOS晶体管之间的电荷共享,给出了电荷共享效应与SET脉冲电流产生的机理。同时分析了NMOS晶体管中的寄生双极管效应对反偏漏体结电荷收集的加剧作用。仿真结果表明,p+保护环可以有效地减小NMOS器件间的电荷共享,加速SET脉冲电流的泄放,证实了p+保护环对器件抗单粒子辐射的有效性,从而给出了该方法在抗单粒子辐射器件版图设计中的可行性。     

SONOS结构EEPROM单元辐射效应分析

随着EEPROM存储器件在太空和军事领域的广泛应用,对EEPROM抗辐射性能的研究越来越多。为了满足应用的需要,文章比较了FLOTOX和SONOS两种EEPROM工艺制成的存储单元在辐射条件下所受的影响,分析了FLOTOX和SONOS单元抗辐射性能的优劣,得出:SONOS结构的EEPROM单元,其抗辐射性能优于FLOTOX结构。并分析了在辐射条件下,SONOS结构受辐射影响的数学模型。文章的研究不但满足了目前的工作需要,还为以后抗辐射EEPROM研究提供了理论基础。     

半导体材料辐射效应的表征与分析

在辐射环境中,电子系统常用的半导体器件及电路会出现不同程度的性能退化,甚至发生失效.其根本原因来源于辐射致组成半导体器件的材料内部缺陷的产生和积累.表征和分析辐射致材料内部缺陷的种类、浓度、分布等信息,是半导体材料辐射效应研究的重要内容.从辐射致缺陷微观形貌、结构特征,及其引起的宏观电效应三方面,归纳总结了几种重要的半导体材料辐射效应的表征和分析方法,分析了每种方法的优缺点及适用范围,并指出半导体材料辐射效应表征与分析技术发展的方向,可为电子器件、半导体材料辐射效应领域的研究人员提供参考.     

基于泊松过程的半导体激光器空间辐射效应研究

针对始终处于加电状态工作模式的半导体激光器,通过分析单个粒子对器件的辐射过程,将空间辐射效应离散的描述为所有单粒子造成辐射效应的累积。考虑到粒子到达服从泊松过程的特点,建立了半导体激光器空间辐射效应性能退化模型。推导了器件可靠度函数以及平均故障前时间的表达式。对InGaAs多量子阱激光二极管在高轨空间辐射环境中的性能退化过程进行了仿真,得到了器件的光功率退化曲线。结果表明光功率退化量与辐射时间近似成正比例关系。由此提出了同时考虑辐射与退火效应条件下,器件的光功率退化速率,通过拟合得出该速率与空间辐射平均剂量率成正比。获得了半导体激光器的可靠度曲线,进而计算了器件的平均故障前时间。     

抗单粒子翻转效应的SRAM研究与设计

在空间应用和核辐射环境中,单粒子翻转(SEU)效应严重影响SRAM的可靠性。采用错误检测与校正(EDAC)和版图设计加固技术研究和设计了一款抗辐射SRAM芯片,以提高SRAM的抗单粒子翻转效应能力。内置的EDAC模块不仅实现了对存储数据"纠一检二"的功能,其附加的存储数据错误标志位还简化了SRAM的测试方案。通过SRAM原型芯片的流片和测试,验证了EDAC电路的功能。与三模冗余技术相比,所设计的抗辐射SRAM芯片具有面积小、集成度高以及低功耗等优点。     

辐射效应对半导体器件的影响及加固技术

与其他半导体器件相比,CMOS集成电路具有功耗小、噪声容限大等优点,对于对重量、体积、能源消耗都有严格要求的卫星和宇宙飞船来说,CMOS集成电路是优先选择的器件种类。随着半导体器件的等比例缩小,辐射效应对器件的影响也在跟着变化。这些影响包括:栅氧化层厚度、栅长的减小、横向非均匀损伤、栅感应漏电流等方面。对于微电子器件的抗辐射加固,文章就微电子器件的应用场合、辐射环境的辐射因素和强度等,从微电子器件的制作材料、电路设计、器件结构、工艺等多方面进行加固考虑,针对各种应用环境提出加固方案。     

Radiation Effects of Proton Particles in Memory Devices

In this letter, we study the impact of single event upsets (SEUs) in space or defense electronic systems which use memory devices such as EEPROM, and SRAM. We built a microcontroller test board to measure the effects of protons on electronic devices at various radiation levels. We tested radiation hardening at beam current, and energy levels, measured the phenomenon of SEUs, and addressed possible reasons for SEUs.     

基于RHBD技术的深亚微米抗辐射SRAM电路的研究

研究了目前业内基于抗辐射加固设计(RHBD)技术的静态随机存储器(SRAM)抗辐射加固设计技术,着重探讨了电路级和系统级两种抗辐射加固方式。电路级抗辐射加固方式主要有在存储节点加电容电阻、引入耦合电容、多管存储单元三种抗辐射加固技术;系统级抗辐射加固方式分别是三态冗余(TMR)、一位纠错二位检错(SEC-DED)和二位纠错(DEC)三种纠错方式,并针对各自的优缺点进行分析。通过对相关产品参数的比较,得到采用这些抗辐射加固设计可以使静态随机存储器的软错误率达到1×10-12翻转数/位.天以上,且采用纠检错(EDAC)技术相比其他技术能更有效提高静态随机存储器的抗单粒子辐照性能。     

双极型集成电路瞬时辐照效应的计算机模拟

本文介绍了利用计算机模拟双极型集成电路的瞬时辐照效应。主要包括模拟原理、重要的模拟输入参数的提取、模拟过程和模拟结果和与实验结果的对比。模拟结果与实验结果能较好地吻合,这说明电子电路瞬时辐照效应的计算机模拟是可行的,且大有发展前途。     

自由空间用半导体激光器抗辐射的研究

为了提高半导体激光器的抗辐射性能,满足空间应用的需要,在介绍了空间辐射环境的基础上,对空间辐射在半导体激光器中产生的总剂量效应、单粒子翻转效应和位移效应进行了分析,并探讨了半导体激光器在空间辐射环境中相应的抗辐射防护技术。对980 nm单模半导体激光器采用了端面镀膜、Al2O3绝缘介质层、真空封装等抗辐射的改进措施,有效地提高了半导体激光器的抗辐射能力。     

CMOS电路瞬时辐照效应的计算机模拟分析

利用LSTRAC-2对CD4007电路进行瞬时辐照效应模拟,分析了模拟中用到的有关参数的提取方法,对模拟的电路样品进行了瞬态辐照实验,并就结果进行了比较和讨论。结果表明,模拟和实验符合得较好。     

Burn—in对CMOS器件电离辐射效应的影响

MOS管或IC在辐照以前,使其在较长时间内（约200h）处于一定的高温（120℃）下并加偏压。这一作用会改变器件对电离辐射的响应。器件会产生更大的N管阈值电压漂移,IC会产生更大的漏电流（一个量级以上）,减小器件的时间参数退化。Burn-in效应具有很重要的辐射加固方面的意义：1）不考虑这个因素会过高估计器件的时间参数的衰退,从而淘汰掉一些可用的器件;2）对IC的静态漏电流估计不足可导致器伯提前失效。     

星用CMOS器件辐照损伤和退火效应研究

文章研究了ＣＭＯＳ器件＾６０Ｃｏγ射线的总剂量辐照实验以及辐照后在１００℃温度场下的退火效应。实验发现,辐照后,器件在加温和加偏条件下,可以加速ｎ沟器件界面态的增长和氧化物陷阱电的退火,而加温浮空偏置条件下有利于ｎ沟器件界面态的退火,但在１００℃温度场中,两种偏置条件都有利于ｐ沟器件氧化物陷阱电荷和界面的退火。