SiGe BiCMOS低噪声放大器激光单粒子效应研究

随着CMOS工艺的日益成熟和SiGe外延技术水平的不断提高,SiGe BiCMOS低噪声放大器(LNA)广泛应用于空间射频收发系统的第一级模块.SiGe HBT作为SiGe BiCMOS LNA的核心器件,天然具有优异的低温特性、抗总剂量效应和抗位移损伤效应的能力,然而,其瞬态电荷收集引起的空间单粒子效应是制约其空间应用的瓶颈问题.本文基于SiGe BiCMOS工艺低噪声放大器开展了单粒子效应激光微束实验,并定位了激光单粒子效应敏感区域.实验结果表明,SiGe HBT瞬态电荷收集是引起SiGe BiCMOS LNA单粒子效应的主要原因.TCAD模拟表明,离子在CMOS区域入射时,电离径迹会越过深沟槽隔离结构,进入SiGe HBT区域产生电子空穴对并引起瞬态电荷收集.ADS电路模拟分析表明,单粒子脉冲瞬态电压在越过第1级与第2级之间的电容时,瞬态电压峰值骤降,这表明电容在传递单粒子效应产生的瞬态脉冲过程中起着重要作用.本文实验和模拟工作为SiGe BiCMOS LNA单粒子效应抗辐射设计加固提供了技术支持.

高速比较器与时钟驱动器电源模块电磁敏感性研究

高空电磁脉冲(HEMP)能够对电子器件或系统产生不可忽视的电磁脉冲效应。选取高速比较器与时钟驱动器,采用脉冲电流注入(PCI)的实验方法研究这两种器件电源模块的电磁敏感性。试验结果表明:双指数脉冲电流的上升沿是引起高速比较器与时钟驱动器输出扰动的主要原因,且扰动幅度都受到注入脉冲电流幅值的影响;高速比较器工作在不同电平时电源模块的电磁敏感性不同;高速比较器与时钟驱动器在不同工作频率下会表现出不同的电磁敏感性。研究结果对电子器件或系统的电磁敏感性分析与加固具有一定的指导意义。

质子入射Al_(x)Ga_(1-x)N材料的位移损伤模拟

氮化镓材料由于优良的电学特性以及耐辐照性能,其与不同含量Al_(x)Ga_(1-x)N材料组成的电子器件,有望应用于未来空间电子系统中.然而目前关于氮化镓位移损伤机理研究多关注于氮化镓材料,对于Al_(x)Ga_(1-x)N材料位移损伤研究较少.本文通过两体碰撞近似理论模拟了10 keV-300 MeV质子在不同Al元素含量的Al_(x)Ga_(1-x)N材料中的位移损伤机理.结果表明质子在Al_(x)Ga_(1-x)N材料中产生的非电离能损随质子能量增大而下降,当质子能量低于40 MeV时,非电离能损随着Al含量的增大而变大,当质子能量升高时该趋势相反;分析由质子导致的初级撞出原子以及非电离能量沉积,发现不同Al_(x)Ga_(1-x)N材料初级撞出原子能谱虽然相似,然而Al元素含量越高,由弹性碰撞产生的自身初级撞出原子比例越高;对于质子在不同深度造成的非电离能量沉积,弹性碰撞导致的能量沉积在径迹末端最大,而非弹性碰撞导致的能量沉积在径迹前端均匀分布,径迹末端减小,并且低能质子主要是通过弹性碰撞造成非电离能量沉积,而高能质子恰好相反.本研究揭示了不同Al元素含量的Al_(x)Ga_(1-x)N材料质子位移损伤机理,为GaN器件在空间辐射环境下的应用提供参考依据.

芯片化继电保护装置中SoC配置存储器失效评估

随着先进工艺SoC在继电保护领域越来越受重视,一些此前在该领域中未曾考虑过的问题亦引起研究人员的注意,如环境中高能粒子人射或者芯片封装中α粒子发射导致的先进工艺SoC单粒子效应问题。相较于传统继电保护系统,具有更高集成度、更强大运算能力和更小体积的SoC芯片化继电保护装置,在就地保护和分散式保护需求较高的线路中更具优势。虽然近年来基于ZYNO SoC的芯片化继电保护装置快速推进,但已有研究和应用中均未考虑芯片化继电保护装置中ZYNO SoC配置存储器的失效及加固处理问题,尤其是配置存储器单粒子效应可能导致继电保护装置功能失效,无法达到保护的目的。本文以一款可用于芯片化继电保护装置的ZYNO SoC为研究对象,采用软件故障注入的形式(分别基于SEM IP核和DPR两种方式进行了软件故障注入)评估了系统配置存储器发生单粒子效应时的可靠性。同时,结合失效模式与效应分析方法对两者的故障注入结果进行了对比,分析,指出针对芯片化继电保护装置中ZYNO SoC配置存储器,采用DPR的设计比采用SEM IP核的设计失效程度更低。

近存计算架构AI芯片中子单粒子效应

利用中国散裂中子源大气中子辐照谱仪,对某款16 nm FinFET工艺制造的近存计算架构人工智能AI芯片进行了大气中子单粒子效应辐照测试研究.辐照测试中,在累积中子注量为1.51×10^(10)n/cm^(2)(1 MeV以上)情况下,共探测到5类共计35个软错误,尤其是探测到不同于传统冯诺伊曼架构芯片单粒子效应的计算与存储单元同时发生单粒子效应新现象.基于所探测到的两类功能单元同时单粒子效应新现象,结合蒙特卡罗仿真模拟,初步给出了近存计算架构AI芯片内物理布局上,核心功能单元间可降低同时发生单粒子效应的安全间距建议.该研究为进一步探究非传统冯诺伊曼架构芯片单粒子效应提供了参考与借鉴.

近地轨道质子和α粒子入射InP产生的位移损伤模拟

磷化铟(InP)材料具有禁带宽度大、电子迁移率高、耐高温、抗辐照等优点,是制备航天器电子器件的优良材料.近地轨道内的质子和α粒子对近地卫星威胁巨大,其在InP电子器件中产生的位移损失效应是导致InP电子器件电学性能下降的主要因素.本文使用蒙特卡罗软件Geant4研究近地轨道的质子与α粒子分别经过150μm二氧化硅和2.54 mm铝层屏蔽后,在500/1000/5000μm InP材料中产生的非电离能量损失(non-ionizing energy loss,NIEL)、平均非电离损伤能随深度分布以及年总非电离损伤能.研究发现:低能质子射程短且较易发生非电离反应,入射粒子能谱中低能粒子占比越大,材料厚度越小,NIEL值越大;计算质子和α粒子年总非电离损伤能,质子的年总非电离损伤能占比达98%,表明质子是近地轨道内产生位移损伤的主要因素;α粒子年总非电离损伤能占比小,但其在InP中的NIEL约为质子的2-10倍,应关注α粒子在InP中产生的单粒子位移损伤效应.本文计算为InP材料在空间辐射环境的应用提供了参考依据.

InP中点缺陷迁移机制的第一性原理计算

磷化铟作为重要的第二代半导体材料,具有禁带宽度大、电子迁移率高、光电转换效率高、抗辐照性能强等优点,是制备航天器电子器件优良材料之一.但空间辐射粒子在磷化铟电子器件中会产生点缺陷,导致其电学性能发生严重下降.本文采用第一性原理方法对磷化铟中点缺陷的稳态结构进行研究,并计算了最近邻位点的缺陷迁移能.通过构建不同电荷态点缺陷的稳态结构,发现了4种稳态结构的铟间隙和3种稳态结构磷间隙.研究空位点缺陷的迁移过程,发现磷空位比铟空位迁移能高,同时带电空位点缺陷迁移能高于中性空位.对于间隙点缺陷迁移过程的研究发现,相较于空位点缺陷,间隙点缺陷迁移能更小.在不同电荷态的铟间隙迁移过程计算中,发现了两种不同的迁移过程.计算磷间隙的迁移过程,发现了特殊的中间态结构引起多路径迁移情况.研究结果有助于深入了解磷化铟材料中缺陷的形成机制和迁移行为,对于设计和制造空间环境中长期稳定运行的磷化铟器件有重要意义.

钙钛矿太阳能电池辐照实验研究

太阳能电池作为航天器的重要能源,其空间抗辐射性能具有重要的研究意义.钙钛矿太阳能电池因其较长的载流子寿命、较高的光吸收性能、高载流子迁移率以及成本低和易于制备等优势成为太阳能电池研究的前沿和热点.近年来,钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已逐渐提升至25.5%,在各个领域逐渐走向实际应用,并将有可能应用于航天器的电源系统.目前,钙钛矿太阳能电池的空间辐照效应研究较为分散,实验样品来自不同的制备工艺,不同器件结构和组分比例会导致实验结果的差异.本文基于自主研制的钙钛矿太阳能电池样品分别开展了质子、电子以及γ辐照实验研究,通过分析辐照前后的光电特性预测其辐射效应规律,为钙钛矿太阳能电池的空间应用提供实验依据.

SiGe HBT瞬时剂量率效应实验及仿真研究

锗硅异质结双极晶体管(SiGe Heterojunction Bipolar Transistor,SiGe HBT)由于其优异的温度和频率特性,在航空航天等极端环境中具有良好的使用前景,其辐射效应得到了广泛关注。针对KT9041 SiGe HBT进行了瞬时γ射线及脉冲激光辐照实验,获得其瞬时剂量率效应(Transient Dose Rate Effect,TDRE)响应。实验结果表明,SiGe HBT收集极在辐照下会产生明显的光电流脉冲,并且存在着饱和阈值的现象。此外,在脉冲激光辐照实验中还进行了SiGe HBT总剂量效应与瞬时剂量率效应的协同效应研究。发现SiGe HBT在经过总剂量辐照后其产生的光电流幅值会变大。为了分析实验中观察到的现象,应用TCAD建立了KT9041 SiGe HBT的仿真模型,并进行了瞬时γ射线辐照以及总剂量效应仿真研究。仿真发现,SiGe HBT收集极光电流出现的饱和现象是由示波器端口50Ω匹配电阻所造成的。而总剂量效应导致的光电流幅值变大则是由于总剂量效应会在SiGe HBT收集极电极处的Si/SiO2界面引入正电荷缺陷,正电荷缺陷产生的局部电场会对自由电子产生吸引作用,导致更多的自由电子被收集极收集,从而产生幅值更大的光电流。

浮栅ROM与SRAM的辐射效应比较分析

比较了浮栅ROM和SRAM的中子、质子和γ辐射效应的异同 ,分析了其不同的原因 .与SRAM相比 ,浮栅ROM器件出错时的 14MeV中子注量阈值高 5个量级 ;31.9MeV质子注量阈值高 4个量级 ;总剂量损伤阈值相差不大 ,都在 10 4rad(Si)量级左右 .这些都是由二者存储单元的结构和辐射效应机制决定的 .在空间辐射环境中 ,不需经常擦写数据的情况下 ,应该选用浮栅ROM器件 .

浮栅ROM器件γ辐射效应实验研究

给出了浮栅 ROM器件的γ辐照效应实验结果。器件出现错误有个累积剂量阈值 ,当累积剂量小于某一值时 ,无数据错误。当累积剂量达到一定值时 ,开始出现数据错误。随着累积剂量的增加 ,错误数增加 ,动态监测和静态加电的器件都出现数据错误 ,且不能用编程器重新写入数据。然而不加电的器件在更高的累积剂量辐照下未出现错误 ,而且可以用编程器重新写入数据。

静态随机存取存储器重离子单粒子翻转效应实验研究

应用重离子加速器和 2 52 Cf源进行单粒子翻转效应实验 ,测量得到 IDT系列和 HM系列静态随机存取存储器的单粒子翻转重离子 L ET阈值为 4～ 8Me V· cm2 /mg,单粒子翻转饱和截面为 10 -7cm2 · bit-1量级 ,位单粒子翻转截面随集成度的提高而减小。实验结果表明 ,可以用 2 52

静态随机存取存储器质子单粒子效应实验研究

描述了测量静态随机存取存储器质子单粒子翻转截面的实验方法。采用金箔散射法可以降低加速器质子束流五六个量级 ,从而满足半导体器件质子单粒子效应的要求。研制的弱流质子束流测量系统和建立的注量均匀性测量方法解决了质子注量的准确测量问题。提高了存储器单粒子效应长线测量系统的性能 ,保证了翻转数的准确测量。实验测得静态随机存取存储器质子单粒子翻转截面为 1 0 - 1 4 cm2 / bit量级 ,随质子能量的增大略有增大。

半导体器件单粒子效应的加速器模拟实验

着重描述了应用加速器开展半导体器件的单粒子效应实验研究的方法。采用金箔散射法可以降低加速器束流几个量级 ,从而满足半导体器件单粒子效应实验的要求。研制的弱流质子束流测量系统和建立的质子注量均匀性测量方法解决了质子注量的准确测量问题。实验测得静态随机存取存储器的质子单粒子翻转截面为 1 0 -14 cm2· bit-1量级 ,单粒子翻转重离子 LET阈值为 4～ 8Me V· cm2 /mg,重离子单粒子翻转饱和截面为 1 0 -7cm2·

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10-14cm2/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。

CMOS SRAM单粒子翻转效应的解析分析

分析了影响ＣＭＯＳＳＲＡＭ 单粒子翻转效应的时间因素，指出不能仅根据临界电荷来判断发生单粒子翻转效应与否，必须考虑器件的恢复时间、反馈时间和电荷收集过程．给出了恢复时间和反馈时间的计算方法，提出了器件抗单粒子翻转的加固措施．对电荷收集过程中截止管漏极电位的变化进行了分析，提出了临界电荷新定义。

高能质子单粒子翻转效应的模拟计算

在分析质子与硅反应的基础上 ,提出质子单粒子翻转截面理论计算模型 ,建立了模拟计算方法 .计算得到了不同能量的高能质子在存储单元的灵敏区内沉积的能量 .指出高能质子主要通过与硅反应产生的重离子在存储单元灵敏区内沉积能量 ,产生电荷 ,导致单粒子效应 ,得到了单粒子翻转截面与质子能量以及随临界电荷变化的关系 .并将计算得到的单粒子翻转截面与实验数据进行了比较 .

质子单粒子翻转截面计算方法

在分析质子与硅反应的基础上 ,建立了质子单粒子翻转截面理论计算模型 ,提出了模拟计算方法。计算得到了不同能量的高能质子与硅反应产生的次级粒子种类、截面、能谱和双微分截面。采用 Monte Carlo方法模拟质子与硅的反应 ;应用 TRIM程序计算次级粒子的射程 ;计算得到次级粒子在存储单元的灵敏区内沉积的能量 ,产生的电荷。通过与临界电荷的比较 ,判断是否导致单粒子翻转 ,从而得到单粒子翻转截面。计算得到的单粒子翻转截面与实验数据符合较好。

EEPROM 28C64和28C256的14MeV中子辐照特性

给出了 Ｅ Ｅ Ｐ Ｒ Ｏ Ｍ 器件的中子辐照实验结果，发现 ２８ Ｃ６４ 和 ２８ Ｃ２５６ 的 １４ Ｍ ｅ Ｖ 中子辐照效应不是以往所认为的单粒子效应，而是总剂量效应。器件出现的错误不是随机的，而是存在中子注量阈值；不同的错误有不同的阈值。在相同的中子注量下，加电的器件出现错误，而不加电的器件无错误；对于 ２８ Ｃ２５６，“０”→“１”错误比“１”→“０”错误容易发生；存贮单元由一种状态彻底变为相反状态之前的一段时间内，其状态是不确定的；停止辐照后，中子注量不再增加时，错误数仍在增加，说明是控制部件出错导致的。

pA量级质子束流测量系统

研制的质子束流测量系统，本底电流仅为１０－ １４Ａ 量级，可测最大电流达ｍ Ａ 量级。在质子单粒子效应实验中，测得了ｐＡ 量级的质子束流及其随时间变化的关系，为半导体器件单粒子翻转截面的计算提供了必需的数据。