宇宙環(huán)境對航天電子元器件的影響-宇宙環(huán)境及其影響

前言

宇宙充滿了形式多樣的輻射射線和粒子，它們可能來自于恒星體釋放出的高能射線，也可能來自星體之間的碰撞過程釋放出的射線。早在1903年盧瑟福和虎克就探測到非人造電離環(huán)境的存在，萊特和沃爾夫最早提出了這種電離放射源來自于宇宙。在虛無的宇宙中，暴露于這種輻射環(huán)境下的任何生物都無法生存。

地球?yàn)槭裁闯蔀樾疫\(yùn)兒

地球作為幸運(yùn)兒成為了適宜生物存在和生長的環(huán)境是由于地磁場和大氣環(huán)境對這些高能射線的屏蔽。在太陽系中，宇宙射線主要來自于太陽釋放的高能射線，包括質(zhì)子、電子、以及太陽系外的高能離子。這些離子都有共同特點(diǎn)，自帶電荷，而地球鐵心旋轉(zhuǎn)下產(chǎn)生的地磁場，能夠俘獲這些“噴射”而來的帶電離子，將其束縛并甩出，從而保護(hù)了地面萬物。但也在地球周邊形成了一道道屏障，這個屏障就是由地磁場俘獲的帶電粒子，并以最早發(fā)現(xiàn)它的科學(xué)家范艾倫命名，稱為為范艾倫輻射帶(Van Allen radiation belt）。

對人類探索活動的影響

范艾倫帶保護(hù)了地球，但也形成了從幾百千米到60000千米的高能粒子墻。而這個區(qū)域恰恰是人類探索空間，應(yīng)用空間的主要活動區(qū)域，對于人類空間探索活動，我們的天然保護(hù)傘變得“不那么友好”。在人類沒有發(fā)明半導(dǎo)體元器件之前，這些輻射離子僅僅可能造成航天人員身體上的“不適”。但是隨著半導(dǎo)體技術(shù)不斷發(fā)展，尤其是超大規(guī)模集成電路在空間飛行器廣泛應(yīng)用后，問題隨之而來。電子元器件工作基于半導(dǎo)體內(nèi)部載流子的定向移動，而無論是帶電的質(zhì)子，電子，重離子還是不帶電的中子和光子，都會誘發(fā)半導(dǎo)體產(chǎn)生額外的電離，這使得電子元器件的載流子活動發(fā)生“失控”。一般稱這種射線輻射造成器件“失控”的現(xiàn)象為輻射效應(yīng)（Radiation Effects）。

根據(jù)產(chǎn)生影響機(jī)理和效果不同，輻射效應(yīng)分成如下幾類：

1總劑量效應(yīng)（Dose Effects）

總劑量效應(yīng)體現(xiàn)在“總”字面上，意味著這種現(xiàn)象是一種與輻射量相關(guān)的累積過程。高能射線入射到半導(dǎo)體器件內(nèi)部就會與半導(dǎo)體材料發(fā)生“交互作用”，這種作用主要是入射射線將自身的能力釋放出來，通過產(chǎn)生熱量或者誘發(fā)半導(dǎo)體材料發(fā)生電離，即使中性區(qū)電離，產(chǎn)生電子-空穴對。在這個過程中熱效應(yīng)可以忽略，而明顯影響半導(dǎo)體器件工作的是電離效應(yīng)。能量的釋放多少決定了效應(yīng)大或小，工程上人們通常以離子入射軌跡上沉積電離能量來描述這種能量釋放過程，即線性能量沉積值（LET-Linear Energy Transfer，MeV cm2/mg），工程標(biāo)定普遍采用以Si為沉積介質(zhì)來比較不同離子電離效應(yīng)的大小，而科學(xué)上可以基于Monte-Carlo方法獲得不同介質(zhì)內(nèi)LET值的大小。我們可以想象，粒子射線的LET越大，射線產(chǎn)生的電子-空穴對越多。而在半導(dǎo)體器件中尤其是結(jié)區(qū)，或者中性層中均存在較高的反偏電場，電場能夠造成新產(chǎn)生的電子-空穴對的分離，宏觀上表現(xiàn)出電流波動?？上攵?，如果粒子LET過大，將產(chǎn)生較大的瞬態(tài)電流，這種瞬態(tài)電流會產(chǎn)生其他的電路功能異常。而在低LET值下，瞬態(tài)電流很小，不會直接誘發(fā)器件功能異常，但是載流子再輸運(yùn)過程中會與器件中Si和鈍化層界面上發(fā)生交互作用，被Si/SiO2界面缺陷俘獲，或由于氧化層絕緣性質(zhì)，電子和空穴遷移速度不同，導(dǎo)致正電荷俘獲累積。這些都會引起器件功能異常，而且這些被俘獲的電荷會隨著射線累積量的增加而增加，從而引發(fā)電路參數(shù)的不斷漂移，這就是總劑量效應(yīng)的累積效應(yīng)的根本原因。器件參數(shù)隨著總劑量累積的變化與器件功能實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)有關(guān)，篇幅原因不詳細(xì)論述。

2單粒子效應(yīng)（Single Event Effects）

接著前面說到的，當(dāng)入射粒子LET值較大時，產(chǎn)生瞬態(tài)電流過高時，引發(fā)另一種瞬態(tài)效應(yīng)，幸運(yùn)的是，大LET粒子在宇宙空間中的分布非常稀薄，稀薄到?jīng)]有兩個粒子能夠同時入射到器件上，因此這種瞬態(tài)效應(yīng)，宏觀表現(xiàn)的是較低占空比的脈沖形式，如果一個個獨(dú)立事件發(fā)生一樣，因此稱之為單粒子事件，這種單事件瞬態(tài)效應(yīng)主要產(chǎn)生的影響如下：

1）電荷收集，造成器件某些電位的狀態(tài)發(fā)生改變，常見于邏輯電路，存儲器，這些器件共同特性依賴于電位高低傳遞表征信息，而高能粒子射線產(chǎn)生的瞬態(tài)電流會帶來“節(jié)點(diǎn)”電荷收集，而超過臨界量，節(jié)點(diǎn)電位就會發(fā)生改變，這個過程成為單粒子翻轉(zhuǎn)（Single Event Upset）。

2）瞬態(tài)電流激活器件內(nèi)部寄生的“可控硅”結(jié)構(gòu)，從而使得電流流動進(jìn)入正向回饋循環(huán)，造成器件工作電流“階梯”上升，這個效應(yīng)稱為單粒子鎖定（Single Event Latch up）。

3）對于復(fù)雜邏輯器件，如MCU、FPGA、DSP、CPU、GPU等處理器，單瞬態(tài)電流脈沖會造成某個或某段時序邏輯發(fā)生錯誤，從而造成程序“跑飛”，功能喪失，這個效應(yīng)稱為單粒子功能中斷（Single Event Function interrupt）。

4）對于功率類器件，其本身工作過程要承載較大的功率，瞬態(tài)電流可能造成器件內(nèi)的寄生BJT導(dǎo)通，從而使得寄生結(jié)構(gòu)進(jìn)入正反饋狀態(tài)，最終造成器件的燒毀，這個效應(yīng)稱為單粒子燒毀（Single Event Burnup）；或入射粒子穿透柵極，在器件內(nèi)形成界面電荷累積，使柵電場瞬態(tài)增大，進(jìn)而引發(fā)柵介質(zhì)擊穿，這個效應(yīng)稱為單粒子?xùn)糯⊿ingle Event Gate Rupture）。

3 位移損傷效應(yīng)（Displacement Damage Effects）

半導(dǎo)體材料是由Si、SiC、GaAs、GaN等材料以晶體和局域摻雜所呈現(xiàn)出獨(dú)特的導(dǎo)電物理特性。高能粒子尤其是具有質(zhì)量的粒子，如質(zhì)子，其除了能夠引起電離效應(yīng)從而耗散自身能量外，還可以像“子彈”一樣與半導(dǎo)體晶體上的晶格原子發(fā)生“碰撞”，擾亂正常的晶格排布，改變了“中性”的晶格環(huán)境，這種擾亂是永久性的，如同子彈貫穿物體，留下永久的彈坑一樣。被擾亂的晶格會表現(xiàn)出對載流子的吸附效果，從而使得載流子在半導(dǎo)體運(yùn)動過程中被這些擊穿的“孔洞”所俘獲，進(jìn)而造成載流子傳輸效率下降。