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.

系统级单粒子效应试验方法研究

为评估星载电子系统抗单粒子效应敏感性及验证系统级加固方法有效性,本文开展了系统级单粒子效应试验方法的相关研究。验证了采用地面模拟装置以逐一辐照系统中器件方式评估系统功能中断率的可行性,提出可通过多种方式获取器件的敏感性数据,指出直接将系统中器件对应的功能中断截面进行加和求取系统截面曲线的不合理之处,本研究为开展系统级单粒子效应试验提供了技术支撑。

脉冲激光模拟单粒子效应试验技术述评

对近十年开展的脉冲激光单粒子效应试验技术进行了述评,指出脉冲激光模拟试验技术具有一定的优势和特点,与重离子模拟试验手段相比,方便易用,试验费用低。总结分析了近十年实验室开展的单粒子效应脉冲激光模拟试验技术研究工作,介绍了电子器件及集成电路单粒子效应激光模拟试验研究结果,对采用脉冲激光模拟单粒子效应试验获得的试验数据与重离子实验数据的等效性进行了比对分析。基于大量试验研究工作,建立了单粒子效应实验室模拟试验及加固评估的手段和方法,使单粒子效应激光模拟试验系统在加固评估中得到应用;试验研究表明,单粒子效应激光模拟系统可以确定单粒子敏感区、敏感参数、翻转截面获取及电子系统故障注入等,为航天器空间辐射效应模拟及加固设计验证开辟了新的技术途径和方法。

VDMOS单粒子效应简化电路模型研究

通过在功率VDMOS器件的等效电路模型中引入电阻分析器件的表面电压对其单粒子效应的影响。根据仿真数据,分析颈区宽度、P+注入和反向传输电容等参数对器件的影响,设计了250 V器件并进行辐照试验。仿真结果及试验结果与模型分析的结论一致:辐照条件下,表面电压由电阻分压确定;增加P+注入剂量和减小颈区条宽能够减小电阻,提高器件抗单粒子效应的能力;通过降低颈区浓度减小反向传输电容的方法,无法提高器件的抗SEE能力;颈区条宽增加,器件辐照后漏电增加。

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.

重离子源类别对SiC MOSFET单粒子效应的影响

SiC金属−氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)作为第三代航天器用半导体器件,在应用前须经过抗单粒子效应试验评估。文章探究重离子加速器恒定式和脉冲式束流源这两种不同类别的辐照源对SiC MOSFET单粒子效应的影响。试验结果表明两种束流源对SiC MOSFET漏电退化影响不同。采用TCAD对SiC MOSFET单粒子效应进行仿真的结果显示,当2个离子在相差100 ps的间隔时间内轰击器件时,离子间会发生相互作用,使得电场增强,对器件的栅氧化层造成损伤。尽管这种相互作用对器件发生单粒子烧毁的阈值电压无显著影响,但漏电退化现象有明显差异。研究结果可为SiC MOSFET的单粒子效应试验提供参考。

模拟混合视频处理电路单粒子效应测试系统设计

为开展模拟混合视频处理电路的单粒子效应研究,通过改变伪CCD信号源的输出信号,建立一款模拟混合视频处理电路的单粒子效应测试系统,实现该器件的单粒子闭锁、单粒子翻转与单粒子功能中断等单粒子效应的评估。通过在中科院近物所回旋加速器和中国原子能院串列加速器的试验测试,获取有效数据。试验结果表明该试验方法及测试系统可以有效评估器件的单粒子性能,为器件的加固设计提供有力数据支撑。

Virtex-5系列SRAM型FPGA单粒子效应重离子辐照试验技术研究

针对SRAM型FPGA在空间辐射环境下易发生单粒子效应,影响星载设备正常工作甚至导致功能中断的问题,开展了SRAM型FPGA单粒子效应地面辐照试验方法研究,提出了配置存储器(CRAM)和块存储器(BRAM)的单粒子翻转效应测试方法,并以Xilinx公司工业级Virtex-5系列SRAM型FPGA为测试对象,设计了单粒子效应测试系统,开展了重离子辐照试验,获取了器件的单粒子闩锁试验数据和CRAM、BRAM以及典型用户电路三模冗余前后的单粒子翻转试验数据;最后利用空间环境模拟软件进行了在轨翻转率分析,基于CREME96模型计算得到XC5VFX130T器件配置存储器GEO轨道的单粒子翻转概率为6.41×10^(-7)次/比特·天。

双埋氧绝缘体上硅SRAM铀离子单粒子效应研究

随着集成电路技术的进步,提高电路的单粒子翻转(single event upset,SEU)阈值变得愈发困难。双埋氧层绝缘体上硅(double silicon-on-insulator,DSOI)技术为单粒子加固技术提供了新方法。利用哈尔滨工业大学空间地面模拟装置(space environment simulation and research infrastructure,SESRI)产生的铀离子对中国科学院微电子研究所研制的DSOI静态随机存取存储器(static random access memory,SRAM)开展了SEU效应研究。铀离子是目前可获得的线性能量传递(linear energy transfer,LET)最高的重离子。2种不同SEU加固能力的DSOI 4 kbit SRAM试验结果显示,通过对NMOS和PMOS的背栅实施独立偏压控制,可实现DSOI SRAM电路抗SEU能力的宽范围调制。最优条件下,使用LET为118 MeV·cm ^(2)·mg^(-1)的铀离子,累积注量为1×10^(7) cm^(-2)时,被测器件无SEU发生。

CYCIAE-100加速器中子单粒子效应模拟试验装置及其应用

中子诱发单粒子效应会影响航空飞行器和地面辐射敏感设施用电子器件的可靠性。基于质子加速器打靶产生的中子束是研究电子器件中子单粒子效应规律和机理的重要中子源。中国原子能科学研究院100 MeV质子回旋加速器(CYCIAE-100)通过质子轰击Li靶和W靶分别产生准单能中子源和白光中子源。采用基于双液体闪烁体探测器的中子飞行时间法测量了白光中子能谱,并与理论计算谱进行对比,符合较好。同时,基于核反应理论,采用蒙特卡罗方法模拟了100 MeV质子与Li靶相互作用的次级中子,获得了准单能中子的产额、能谱和角分布。分析表明,CYCIAE-100加速器中子源参数能够满足中子单粒子效应试验的要求。

SiC MOSFET的质子单粒子效应

SiC金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)在深空探测领域具有广阔的应用前景,但空间质子引发的单粒子效应(SEE)对航天器稳定运行造成了严重威胁。对平面栅结构与非对称沟槽栅结构的SiC MOSFET进行了能量为70、100与200 MeV的质子辐照实验。实验结果表明,两种SiC MOSFET的单粒子烧毁(SEB)阈值电压均大于额定漏源电压的75%;SEB阈值电压随质子能量升高而降低。对两种器件进行辐照后栅应力测试发现,两种结构的器件由于沟道不同而对栅应力的响应存在差异;不同的质子能量会在栅极引入不同程度的辐射损伤,低能质子更容易在栅氧化层发生碰撞而引入氧化物潜在损伤。该研究可为揭示SiC MOSFET质子SEE机理和评估抗辐射能力提供参考。

一种高速时钟分配电路单粒子效应测试系统设计

时钟分配电路是电子系统中信号处理单元参考时钟及多路时钟分配的关键元器件,其跟随系统在宇宙空间中容易受宇宙射线辐照发生单粒子效应,进而影响系统性能指标甚至基本功能。为此,提出一种针对数字单元翻转的微测试方法,结合分段存储技术完成高速时钟分配电路的单粒子效应的在线测试系统设计。另外,在HI-13串列加速器与HIRFL回旋加速器上进行了试验验证,成功监测到单粒子翻转、单粒子功能中断等典型单粒子效应。最后根据试验数据并结合FOM方法进行了电路在轨故障率推算,这对于集成电路研制阶段的测试评估与应用阶段的系统验证都有重要意义。

用于重离子单粒子效应测试的高低温实验系统研制

针对宇航器件在空间服役过程中面临的极端温度环境,提出了1套用于真空环境下电子元器件重离子单粒子效应测试过程中控制样品温度的方法,并在HI-13重离子串列加速器的重离子宽束和微束单粒子效应实验终端分别建立了高低温实验系统。长时间的极限温度测试结果表明,该系统的样品温度控制范围为-180℃~150℃,温度控制精度优于±1℃。同时,基于研制的高低温实验系统开展了不同温度下国产锗硅异质结双极晶体管(germanium silicon heterojunction bipolar transistor,SiGe HBT)的单粒子效应测试。实验结果显示,随着样品温度降低,单粒子瞬态(single event transient,SET)脉冲峰值和个数不断增加,SET脉冲宽度随温度升高逐渐增加,这与理论模拟结果一致。本系统的建成将为国内今后研究电子元器件单粒子效应与温度间的协和机制提供参考。

碳纳米管场效应晶体管重离子单粒子效应研究

碳纳米管场效应晶体管(CNT FET)具备优良的电学性能和稳定的化学结构,表现出较强的恶劣环境耐受能力,但其抗辐射性能仍缺乏充足的试验验证。以超薄CNT为沟道材料、HfO2为栅介质层的CNT FET为对象,研究了209Bi重离子辐射引起的器件单粒子效应(SEE)。研究结果表明,在重离子辐射条件下,栅极单粒子瞬态电流大多处于10-11 A数量级,少数达10-10 A数量级;由于CNT FET具有纳米级超薄CNT沟道,漏极电流对单粒子辐射不敏感,漏极单粒子瞬态电流几乎可以忽略,无单粒子烧毁效应(SEB);得益于HfO2栅介质层,CNT FET未发生单粒子栅穿效应(SEGR),表现出较强的抗单粒子能力。

航空电子硬件单粒子效应故障率的指标要求探索

航空电子硬件单粒子效应故障率是系统安全性分析过程中的重要基础数据。其指标要求的制定是一个难题。作者基于国际上航空电子硬件单粒子效应故障率计算要求的跟踪梳理分析,研究提出了一些复杂电子硬件单粒子效应故障率的指标要求探索方向,可以为设计师提供参考。

航空电子硬件单粒子效应故障率的审定数据要求探索

航空电子硬件单粒子效应故障率是系统安全性分析过程中的重要基础数据。复杂器件的技术趋势赋予航空电子硬件单粒子效应故障率新的内涵。本文基于国际上航空电子硬件单粒子效应故障率计算要求的跟踪梳理分析,探索性地提出了一些复杂电子硬件单粒子效应故障率的审定数据要求,可以为设计师提供参考。

简单与复杂硬件单粒子效应故障率的数据获取方法探索

航空电子硬件单粒子效应故障率是系统安全性分析过程中的重要基础数据。航空电子硬件由于简单与复杂硬件两种类型的技术定义不同,其单粒子效应故障率的数据获取方法不同。本文基于AMC 20-152A-2022《航空电子硬件开发保证》的跟踪梳理分析,研究提出了简单与复杂硬件单粒子效应故障率的数据获取方法探索,可以为设计师提供参考。

定制器件单粒子效应故障率的数据获取方法探索

航空电子硬件单粒子效应故障率是系统安全性分析过程中的重要基础数据。定制器件复杂技术趋势赋予航空电子硬件单粒子效应故障率新的内涵。本文基于国际上航空电子硬件适航审定要求的跟踪梳理分析,研究提出了一些定制器件单粒子效应故障率的数据获取方法考虑,可以为设计师提供参考。

航空电子硬件单粒子效应故障率的数据获取方法探索

航空电子硬件单粒子效应故障率是系统安全性分析过程中的重要基础数据。复杂定制器件的技术趋势赋予航空电子硬件单粒子效应故障率新的内涵。本文基于国际上航空电子硬件单粒子效应故障率计算要求的跟踪梳理分析,研究提出了一些复杂电子硬件单粒子效应故障率的数据获取方法探索方向,可以为设计师提供参考。

星用半导体器件单粒子效应脉冲激光试验技术进展

解决星用半导体器件抗单粒子效应能力的评估、筛选及加固验证是其航天应用的核心关键技术问题。利用脉冲激光模拟试验单粒子效应已经有接近40年的历史,脉冲激光模拟试验技术可微米量级精准定位器件的单粒子效应敏感位置及皮秒量级测试电路动态响应,可满足卫星用载荷的研制及芯片研制部门的不同测试需求。通过多年的试验及理论研究,利用皮秒脉冲激光测试硅基芯片的单粒子效应试验技术已经成熟,相关的国标、国军标已经发布;同时随着半导体技术的进步,宽禁带半导体器件单粒子效应的测试也逐渐成为研究热点。利用脉冲激光双光子吸收(two photon absorption,TPA)机制试验SiC,GaN器件单粒子效应,建立了激光有效能量等效LET值与重离子LET值的对应关系。