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脉冲激光诱发单粒子效应

单粒子效应是空间高能带电粒子入射到与数据或指令相关的微电子器件或电路,使之产生逻辑错误、功能异常乃至器件损毁的现象。由于航天器上使用了大量的微电子器件和集成电路,航天器的安全可靠运行依赖于这些器件和电路的正常工作, 而在轨运行的航天器又时刻处在由银河宇宙线、 太阳宇宙线和地球辐射带高能离子交汇密布所形成的辐射网中。一旦发生单粒子效应将有可能对航天器造成致命的影响。

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地面模拟单粒子效应最常用的手段是利用加速器产生的重离子辐照微电子器件,以诱发单粒子事件并进行相关的测试和研究。通过用一系列具有不同线性能量传输密度LET(Linear Energy Transfer)的离子来辐照器件,可以获得器件的σ-LET曲线(σ为翻转截面)、翻转阈值、饱和截面等与单粒子效应有关的重要参数。此外,质子加速器产生的高能质子、252Cf放射源裂变产生的重离子碎片也是重要的模拟源,但我国质子加速器目前还在完善中,同时后者因为其放射性威胁以及射程短等因素也使其应用受到限制。

脉冲激光模拟单粒子效应技术以其试验便捷、效率高、精确的空间和时间分辨特性等优势,在世界范围内越来越多地被应用于单粒子效应机理研究和工程实践中,已经成为单粒子效应特性评估和防护设计验证的有效手段。脉冲激光等效重离子LET计算的关键问题是确定器件单粒子效应灵敏区内收集的有效电荷量与脉冲激光能量的关系。器件的介质层结构对激光,能量的沉积具有很重要的影响。激光辐射器件分为正面辐照和背辐照,两种模式的激光能量传输路径不同,对激光能量沉积的影响也不同。

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对于工艺尺寸大、集成度较低的器件,激光正面入射辐照器件模拟单粒子效应的方法是适用的。不考虑金属布线层的影响,激光正面辐射器件的情形如图所示。器件介质层结构可简化为空气钝化层—Si材料,激光在不同介质的界面发生反射和透射现象,能量传输模型主是计算激光通过钝化介质层的能量透射率。

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脉冲激光背部入射辐照器件的过程如图示意。在进入器件单粒子效应灵敏区之前,激光会发生反射,透射,吸收等衰减过程。对于一般的Si材料CMOS工艺器件,器件介质层结构可以简化为:绝缘钝化层(一般为SiO2),金属层(一般为Au.W.Cu.Al等材料),有源区(重掺杂的半导体材料介质层),Si衬底。脉冲激光通过光电效应在Si中产生电子空穴对。半导体材料吸收光辐射导致电子从低能级跃迁到较高能级或激活晶格振动。半导体有多种不同的电子能级和晶格振动模式,因而有多种不同的光吸收机制

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脉冲激光模拟单粒子效应试验技术特别是定量计算研究是一个非常复杂的课题,涉及到光学、非线性光学、激光物理、半导体光学、半导体器件物理、集成电路工艺与设计、粒子物理与核物理等众多领域。总之,作为一种空间单粒子效应的地面模拟手段,脉冲激光具有许多其它手段不具有的优势。