数字集成电路电离总剂量辐射效应原位测试系统的研究与实现

电离总剂量效应将会导致数字集成电路电参数超差,甚至功能失效。目前数字集成电路的电离总剂量效应试验主要采用移位测试,移位测试需要一定时间将器件移动到测试机上进行测试,移动耗费的时间将导致器件有不同程度的退火,同时只有在移位测试过程中才能获得辐射效应数据,相较于在线原位测试数据量较少。数字集成电路测试系统采用PXI系统,系统内装配数字向量测试模块和电源量测模块,同时编写了测试软件和制作了测试板。通过对一款NAND Flash存储器进行在线原位辐照测试,测试结果满足对数字集成电路在X射线辐照过程中的DC、AC及功能测试要求。系统的装备应用为未来应用到各种加速器或其他辐射源的数字集成电路的在线测试奠定了基础。

搜寻第二个地球——系外地球(ET)巡天计划

系外地球科学卫星(ET)将通过采用空间大视场超高精度测光这一关键技术在国际上率先突破生命起源中的系外地球存在及其演化这一重大前沿科学问题. ET卫星将在日地拉格朗日L2点晕(Halo)轨道部署由6台广角凌星望远镜和1台微引力透镜望远镜构成的空间天文台,结合凌星法和微引力透镜法,利用空间超大视场和超高精度的光学测光观测,首次发现富有重要意义、被广泛关注的系外地球,并确定其发生率,对目前了解甚少的类地行星和流浪行星进行国际上第一次大规模的种群普查,首次发现流浪地球,并确定其发生率,揭示类地行星和流浪行星起源,为地外生命探寻提供候选者和新方向. ET卫星的观测结果、统计研究以及和对理论的检验将回答系外地球在宇宙中有多普遍,类地行星是如何形成和演化的,流浪行星又是如何起源的这些亟待解决的前沿科学问题.对ET卫星发现的系外地球样本的后随观测,将精确测量其质量、密度和大气成分,有助于深入分析宜居性特征.此外,对ET新发现的大量各种系外行星样本的研究,以及对理论的检验将推动这些种类的行星形成和演化规律的更深入认识, ET的大量高精度、高频次和长基线测光数据将推动星震学、银河系考古学、时域天文学、双星和双星黑洞等领域的研究.

质子辐照下CMOS图像传感器随机电报信号机理研究

针对星用CMOS图像传感器面临的质子辐照导致像素性能退化问题,基于中国原子能科学研究院100 MeV质子回旋加速器试验装置,开展质子辐照导致CMOS图像传感器随机电报信号研究。试验结果表明,CMOS图像传感器积累的位移损伤剂量为240 TeV·g^(-1)时,质子辐照产生的随机电报信号占比为21.4%。随机电报信号可在2~8个固定的暗电流台阶之间随机波动,而且其行为受积分时间调控。分析认为,质子辐照CMOS图像传感器产生的随机电报信号来自于光电二极管,与像素内晶体管无关。质子辐照诱发的复杂位移缺陷是导致光电二极管随机电报信号的原因,复杂位移缺陷在室温条件下可以在不同结构之间随机转换,引起暗电流随机波动。低温工作条件可以有效抑制质子辐照导致的随机电报信号。

基于X射线晶圆在线辐照实验的16 nm n-FinFETs总剂量效应模型研究

建立了基于X射线晶圆在线辐照实验的16 nm FinFET总剂量效应模型,并对模型的有效性进行了验证。将辐照后器件等效为一个主晶体管与辐射导致的若干寄生晶体管并联,通过改变寄生晶体管的参数对辐照中的物理机制进行了模拟。对不同鳍片数量的内核(core)和输入输出(input output,IO)n-FinFET建立了能够描述器件在不同漏源电压下工作性能的模型,仿真结果与实验数据对比表明,所建立的模型的相对均方根偏差小于15%。

光通信用激光器及光电二极管质子位移损伤效应研究

激光器、探测器等光通信器件对空间辐射环境中高能粒子引入的位移损伤敏感,且随时间累积不可恢复。针对光通信用垂直腔面发射激光器和光电二极管开展了质子辐照试验,并对辐照前后器件的光功率-电流-电压曲线、阈值电流、低频噪声等参数进行了测试分析。研究结果表明:由于质子辐照后,载流子被辐射感生缺陷形成的非辐射复合中心捕获,降低了少数载流子的寿命,复合产生的光子数量减少,因此850 nm垂直腔面发射激光器在质子辐照后光输出功率、外量子效率随注量的增加而降低;InGaAs光电二极管暗电流和噪声密度谱增加。

质子位移损伤模拟试验装置的建设与应用

质子位移损伤效应模拟试验专用装置(proton radiation effects facility,PREF)可以在10~60 MeV范围内连续精确提供宽注量率范围的高品质单能质子束。采用多圈注入方式将质子注入到同步加速器以获得高增益束流累积,采用3阶共振慢引出方式以实现高效率、连续均匀的束流引出,平均质子束流范围为10~1×10^(8) cm^(-2)·s^(-1),均匀扫描后的束斑尺寸为2 cm×2 cm~20 cm×20 cm,均匀性优于95%。PREF在累积辐射效应、质子单粒子效应评估及质子能谱仪标定方面有极好的应用前景,可为卫星和有效载荷组件的位移损伤效应研究提供试验平台。

CCD与CMOS图像传感器辐射效应测试系统

研制了中荷耦合器件（CCD）与互补金属氧化物半导体有源像素图像传感器（CMOS APS）辐射效应测试系统,用于研究CCD、CMOS APS图像传感器的辐射效应并准确评估器件的空间辐射环境适应性.该系统采用光机电一体化结构设计,包括光电响应性能检测、光谱检测、控制及数据处理3个分系统,可对器件的光电响应性能、光谱特性进行全面的定量测试与分析.系统的光谱分辨率为1 nm,工作波段为0.38～1.1 μm.目前,该系统与新疆理化所现有的辐照装置结合,构成了光电成像器件辐射效应模拟试验与抗辐射性能评估平台,已为国产宇航CCD与CMOS APS图像传感器的研制、空间应用部门的成像器件选型工作提供了多次考核评估试验.应用情况表明,该系统可定量检测与评价CCD、CMOS APS图像传感器的辐射效应与抗辐射性能,为深入开展光电成像器件的辐射效应研究提供了完善的试验研究条件.

SRAM、ROM的总剂量辐射效应及损伤分析

为了研究大规模集成电路存储器的总剂量辐射效应，分别对SRAM和ROM两种存储器进行了^40Coγ总剂量辐射实验。结果表明，这两种器件是对总剂量辐射效应敏感的器件，失效阈值在10～15krad（Si）之间。实验还表明，研究SRAM、ROM的总剂量辐射效应，只对数据存取功能进行测试是不完善的，器件的静态功耗电流与动态功耗电流也是总剂量辐射效应的敏感参数，应该作为总剂量辐射效应失效阈值的有效判据。根据器件结构与实验结果。分析了SRAM和ROM器件的损伤机理，认为CMOS SRAM的损伤主要源于辐射产生的界面效应；而浮栅结构ROM的损伤则源于辐射产生的氧化物陷阱电荷与界面陷阱电荷。

CCD在不同注量率电子辐照下的辐射效应研究

对TCD1209线阵CCD进行能量为1.1MeV的电子辐照试验,采用两种不同的注量率辐照后,对器件进行常温退火试验,在辐照与退火过程中考察CCD的光响应灵敏度、暗电流、参考电平、功耗电流等特性参数的变化规律。结果表明,CCD受电子辐照后主要产生电离总剂量损伤,在不同注量率电子辐照下的辐射损伤效应类似于MOS器件的时间相关效应。

空间光学遥感器中Flash存储器的辐射效应与加固

从电路结构入手，分析了工作在某空间光学遥感器中的Flash存储器在空间环境下由电离辐射（总剂量）效应造成器件失效的机理。认为电离作用使晶体管的阈值电压漂移，引起Flash的控制电路与存储单元失效，且相对于浮栅结构的存储单元，控制电路对辐射更敏感；陷阱电荷的积累使器件的静态电流、动态电流增大。对器件进行了60Co7射线总剂量辐射实验，得出器件的失效阈值在15～20krad（Si），并验证了上述分析结果。提出了N模冗余、校验码、冷备份等抗辐射加固方法。

面向对象的嵌入式系统电源管理模型

针对嵌入式系统的低功耗设计,提出一种面向对象的软件电源管理模型。在操作系统的基础上将相关API封装与扩展,抽象出操作系统电源管理类(OSPM)、CPU电源管理类(CPUPM)、设备驱动电源管理类(DDPM)、应用程序电源管理类(APM)。在操作系统层、驱动程序层、应用程序层之间形成电源管理接口,简化嵌入式系统电源管理的软件设计与维护。

CMOS图像传感器饱和输出电压的辐照效应及损伤机理研究

对一款国产CMOS图像传感器进行了不同射线粒子的辐照试验,研究了质子、中子和γ射线等粒子辐照对器件饱和输出电压的影响。试验结果表明,在γ射线和质子辐照下,器件的饱和输出电压显著退化,而在中子辐照下,饱和输出电压基本保持不变,表现出较好的抗中子能力。对γ射线和质子辐照下器件饱和输出电压的退化机理进行了分析,饱和输出电压的退化主要受电离总剂量效应影响:随着辐照累积剂量的增加,饱和输出电压逐渐减小且在退火中的变化趋势与CMOS图像传感器像素单元的饱和输出信号变化趋势一致。辐照导致饱和输出电压退化的主要原因是光敏二极管周围的LOCOS隔离氧化层内产生了大量的辐照感生电荷。

一种full-D1分辨率的嵌入式视频监控设备的设计

提出一种full-D1(704X576)分辨率的嵌入式视频监控设备的设计;以工业级32-bit嵌入式处理器、ASIC视频编码器为硬件平台,嵌入式linux v3.0为软件平台;视频压缩标准为MPEG-4,在linux软件环境下设计了视频编码器的驱动程序、视频数据的流媒体传输程序;实验证明,该方案满足了高清视频监控的需要。

不同注量率质子辐照对CCD参数退化的影响分析

对一款CCD进行了3 MeV质子辐照试验和退火试验,获得了2种注量率质子辐照下CCD参数的退化规律,分析了CCD产生缺陷与质子注量率之间的关系。研究表明:不同注量率质子辐照下,CCD中产生的位移损伤缺陷存在差异,但CCD的暗信号和电荷转移效率没有明显改变,且室温退火后,不同质子注量率辐照下,CCD受到的辐射损伤差异更小。研究结果可为揭示地面模拟实验中质子入射CCD产生缺陷的机制、影响因素及建立质子辐射效应损伤模型提供理论与试验方法的支撑。

高分辨率嵌入式视频监控设备的设计

提出一种高分辨率嵌入式视频监控设备的设计。以工业级32-bit嵌入式处理器、ASIC视频编码器为硬件平台,嵌入式linuxv3.0为软件平台,采用流媒体传输技术。视频压缩标准为MPEG-4,在linux软件环境下设计了视频编码器的驱动程序、视频数据的流媒体传输程序。实验证明,该方案满足了高清网络监控的需要。

TDI-CCD总剂量辐射效应及测试

为评估空间辐射效应对应用于某空间相机的TDI-CCD的成像性能的影响,从器件的电路结构入手,分析了总剂量辐射效应对器件主要性能指标的影响。针对此器件的总剂量辐照测试方法研制了测试装置。用60Co对器件进行了γ射线总剂量辐照实验,定量测试了受辐照前后器件的光电响应性能及对比度传递函数的变化情况。实验结果表明,总辐照剂量达到20krad(Si)时,定制TDI-CCD的相对响应度、暗电流、动态范围、最大信噪比相对于该器件没受辐照的初始值变化量均小于5%,对比度传递函数(CTF)没有明显变化,说明定制TDI-CCD器件能够满足某空间相机的使用要求。

0.5μm工艺CMOS有源像素传感器的总剂量辐射效应

采用60Co-γ射线对某国产0.5μm CMOS N阱工艺CMOS有源像素传感器(APS)的整体电路和像素单元结构进行了电离总剂量辐射效应研究,重点考察了器件的饱和输出信号、像素单元输出信号、暗信号等参数的变化规律。随着辐射剂量的增大,饱和输出信号逐渐减小且与像素单元饱和输出信号变化基本一致;暗信号随总剂量的增大而显著增大。研究结果表明,0.5μm工艺CMOS APS电离总剂量辐射效应引起参数退化的主要原因是光敏二极管周围的整个LOCOS(Local oxidation of silicon)隔离氧化层产生了大量的辐射感生电荷。

基于4晶体管像素结构的互补金属氧化物半导体图像传感器总剂量辐射效应研究

对基于4晶体管像素结构互补金属氧化物半导体图像传感器的电离总剂量效应进行了研究,着重分析了器件的满阱容量和暗电流随总剂量退化的物理机理.实验的总剂量为200 krad(Si),测试点分别为30 krad(Si),100 krad(Si),150 krad(Si)和200 krad(Si),剂量率为50 rad(Si)/s.实验结果发现随着辐照总剂量的增加,器件的满阱容量下降并且暗电流显著增加.其中辐照使得传输门沟道掺杂分布发生改变是满阱容量下降的主要原因,而暗电流退化则主要来自于浅槽隔离界面缺陷产生电流和传输门-光电二极管交叠区产生电流.实验还表明样品器件的转换增益在辐照前后未发生明显变化,并且与3晶体管像素结构不同,4晶体管像素结构的互补金属氧化物半导体图像传感器没有显著的总剂量辐照偏置效应.

质子、中子、^(60)Co-γ射线辐照对电荷耦合器件饱和输出电压的影响

对国产工艺的电荷耦合器件进行了质子、中子、^(60)Co-γ射线辐照试验,研究了不同粒子辐照对器件饱和输出电压的影响。试验结果显示在质子、γ射线辐照下,电荷耦合器件的饱和输出电压显著退化,而在1 Me V中子辐照下,饱和输出电压基本保持不变,表现出较好的抗中子能力。分析认为饱和输出电压的退化主要受电离总剂量效应影响,一方面辐射感生界面态导致阈值电压正向漂移使耗尽层可存储最大电荷量下降;另一方面电离辐射损伤使电荷耦合器件片上放大器增益减小导致饱和输出电压下降。

CMOS有源像素传感器的中子辐照位移损伤效应

为研究空间高能粒子位移损伤效应引起的星用CMOS图像传感器性能退化,对国产CMOS有源像素传感器进行了中子辐照试验,当辐射注量达到预定注量点时,采用离线的测试方法,定量测试了器件的暗信号、暗信号非均匀性、饱和输出电压、像素单元输出电压等参数的变化规律。通过对CMOS图像传感器敏感参数退化规律及其与器件工艺、结构的相关性进行分析,并根据半导体器件辐射效应理论,深入研究了器件参数退化机理。试验结果表明,暗信号和暗信号非均匀性随着中子辐照注量的增大而显著增大,饱和输出电压基本保持不变。暗信号的退化是因为位移效应在体硅内引入大量体缺陷增加了耗尽区内热载流子产生率,暗信号非均匀性的退化主要来自于器件受中子辐照后在像素与像素之间产生了大量非均匀性的体缺陷能级。另外,还在样品芯片上引出了独立的像素单元测试管脚,测试了不同积分时间下像素单元输出信号。