干貨分享 | 關(guān)于空間輻射位移效應(yīng)的考核

位移效應(yīng)是空間輻射對半導(dǎo)體元器件產(chǎn)生的諸多影響中的一種，造成的永久性損傷會嚴(yán)重影響半導(dǎo)體元器件的可靠性和壽命。其原理類似子彈穿透物體，而對于輻射粒子（不管是帶電的離子或者中性的中子）入射到半導(dǎo)體材料內(nèi)都有機(jī)會與半導(dǎo)體晶格原子發(fā)生“碰撞”，雖然在空曠的晶格點(diǎn)陣空間里，這種微小粒子能撞到晶格點(diǎn)陣上原子的概率非常小，但是一旦發(fā)生了就會產(chǎn)生級聯(lián)效應(yīng)。其結(jié)果是受到撞擊的原子離開晶格點(diǎn)陣位置，成為“間隙原子”，而在原位置留下“空位”，影響半導(dǎo)體元器件的正常運(yùn)行，且難以修復(fù)。

與電離損傷主要影響電路中的氧化物和界面不同，位移損傷會影響半導(dǎo)體的點(diǎn)陣的完整性，“空位”在半導(dǎo)體中是無法移動，成為一個(gè)陷阱伺機(jī)俘獲其他原子（復(fù)合），或俘獲電子（電子陷阱），尤其是對載流子的俘獲會直接降低載流子遷移效率（數(shù)量和速度），從而降低半導(dǎo)體傳輸特性。這種效應(yīng)對依賴于少子傳輸?shù)陌雽?dǎo)體器件的影響尤為明顯，如光電子器件（太陽電池，光電探測器），普遍采用依賴少子傳輸PN結(jié)結(jié)構(gòu)，位移效應(yīng)會造成光電效率的下降。而針對諸如雙極型器件，位移效應(yīng)也會通過對基極影響從而改變雙極型器件的電特性。

試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

目前在元器件位移效應(yīng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)主要有GJB548方法1017.1，該標(biāo)準(zhǔn)只規(guī)定了以1MeV等效中子作為輻照源，但標(biāo)準(zhǔn)描述了該試驗(yàn)的目的是考核以非電離能量損失（NIEL Non-Ionizing Energy Loss）作為衡量不同能量中子的等效性。非電離能損描述為輻射粒子傳遞給晶格散射的能量，單位與LET相同都為MeV cm2/g。下圖分別展示了中子，質(zhì)子和電子在Si中的非電離能損，可見質(zhì)子的NIEL值最高，電子最小。

試驗(yàn)源選擇

基于對不同粒子在Si中NIEL差值，GJB548中推薦使用1MeV等效中子。目前中子產(chǎn)生基于核反應(yīng)，其能譜范圍較寬，因此標(biāo)準(zhǔn)中給出了等效的概念。目前可采用均值在1MeV中子和14MeV中子開展試驗(yàn)。二者等效注量之間的換算可采用如下公式，其中Φ(x)為中子能量為x的注量。

另一種試驗(yàn)源可以選擇質(zhì)子源，1MeV質(zhì)子在硅中產(chǎn)生NIEL是1MeV中子的40倍。但是采用質(zhì)子進(jìn)行位移試驗(yàn)需要關(guān)注兩個(gè)問題：

1）質(zhì)子不同于中子，因其帶有電荷其絕大多數(shù)能量損失是用于電離損耗，質(zhì)子的電離能損是非電離能損的上千倍，質(zhì)子在硅材料中是有射程的概念的，而對于中性的中子，其穿透能力不受任何限制。因此在選擇質(zhì)子進(jìn)行位移損傷試驗(yàn)時(shí)，需要考慮質(zhì)子是否能夠穿透器件產(chǎn)生均勻的損傷，推薦使用40 MeV-70 MeV質(zhì)子，質(zhì)子與中子之間的注量等效可參考中子之間的等效計(jì)算方法。

2）質(zhì)子產(chǎn)生總劑量效應(yīng)同樣不可忽略，因此在進(jìn)行質(zhì)子位移試驗(yàn)考核時(shí)，對器件不要時(shí)間偏置，盡量減小電荷的俘獲和界面態(tài)的形成，同時(shí)盡量保證質(zhì)子累積注量產(chǎn)生電離能損不要超過器件的耐電離效應(yīng)能力。

關(guān)于試驗(yàn)后的測試

無論是采用中子還是質(zhì)子輻照進(jìn)行位移損傷試驗(yàn)，因位移效應(yīng)產(chǎn)生材料的高能態(tài)，其本身會產(chǎn)生輻射后的感生放射性，這種放射性會對人體產(chǎn)生傷害，因此輻射試驗(yàn)后，人員不能立即接觸試驗(yàn)品，需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行長時(shí)間放置，待感生放射符合安全閾值時(shí)，方能進(jìn)行輻照后的測試。

廣電計(jì)量半導(dǎo)體服務(wù)優(yōu)勢

• 工業(yè)和信息化部“面向集成電路、芯片產(chǎn)業(yè)的公共服務(wù)平臺”。
• 工業(yè)和信息化部“面向制造業(yè)的傳感器等關(guān)鍵元器件創(chuàng)新成果產(chǎn)業(yè)化公共服務(wù)平臺”。
• 國家發(fā)展和改革委員會“導(dǎo)航產(chǎn)品板級組件質(zhì)量檢測公共服務(wù)平臺”。
• 廣東省工業(yè)和信息化廳“汽車芯片檢測公共服務(wù)平臺”。江蘇省發(fā)展和改革委員會“第三代半導(dǎo)體器件性能測試與材料分析工程研究中心”。
• 上海市科學(xué)技術(shù)委員會“大規(guī)模集成電路分析測試平臺”。
• 在集成電路及SiC領(lǐng)域是技術(shù)能力最全面、知名度最高的第三方檢測機(jī)構(gòu)之一，已完成MCU、AI芯片、安全芯片等上百個(gè)型號的芯片驗(yàn)證，并支持完成多款型號芯片的工程化和量產(chǎn)。在車規(guī)領(lǐng)域擁有AEC-Q及AQG324全套服務(wù)能力，獲得了近50家車廠的認(rèn)可，出具近400份AEC-Q及AQG324報(bào)告，助力100多款車規(guī)元器件量產(chǎn)。
• 在衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，獲委任為空間環(huán)境地面模擬裝置用戶委員會委員單位，建設(shè)了行業(yè)領(lǐng)先的射頻高精度集成電路檢測能力，致力成為北斗導(dǎo)航芯片工程化量產(chǎn)測試的領(lǐng)航者。