航天空间环境单粒子效应研究

2021-07-20赵兴栗伟珉程向丽王曦煜李昂阳

电子制作 2021年13期

赵兴，栗伟珉，程向丽，王曦煜，李昂阳

（1.中国运载火箭技术研究院，北京，100076；2.北京精密机电控制设备研究所，北京，100076）

0 引言

宇宙空间环境存在多种高能带电粒子，由太阳风暴等辐射源[1]产生，这些粒子入射到人造航天器电子系统中的半导体器件后，经常会在器件内部造成各种电离辐射效应，并会产生电子-空穴对。这些电荷被器件敏感区收集，会造成逻辑器件状态的改变或损坏[2]，从而严重地影响航天器的可靠性和寿命，这些故障就是单粒子效应(Single Event Effect)。

在空间辐射环境中，集成电路的抗单粒子能力会随着工艺尺寸的缩小不断下降，而其他的电离辐射效应[3-6]，与工艺尺寸并不构成这样的矛盾，因此单粒子效应就成为航天器在轨运行中的一个主要的可靠性问题。基于此，本文对单粒子效应的基本故障类型、机理以及现状进行了究。

1 基本故障类型机理

■1.1 单粒子效应分类

单粒子效应分类如表1所示。单粒子烧毁（Single Event Burn out）和单粒子栅击穿(Single Event Gate Rupture)造成的危害性极大，会使被粒子辐射的器件造成永久性损坏，这两种主要发生在大功率或者高电压器件当中。单粒子翻转(Single Event Upset)、单粒子闭锁(Single Event Latchup)、单粒子瞬态脉冲(Single Event Transient)和单粒子功能中断(Single Event Functional Interrupt)，不会使器件本身发生损坏，但会造成有效存储信息的暂时性翻转或者扰动，是可逆的，能够通过掉电复位恢复的。几种效应形式特点如下：

表1 单粒子效应类型分类

（1）单粒子翻转主要发生在SRAM、DRAM等存储阵列中；

（2）单粒子闭锁主要发生在CMOS器件中；

（3）单粒子瞬态脉冲引起的暂时性翻转及扰动在锁相环等模拟电路中引起的问题较很常见，而在数字电路中发生时，单粒子瞬态脉冲就转化成了单粒子翻转；

（4）单粒子功能中断是当单粒子翻转发生在控制寄存器，引起电路功能故障。

随着工艺尺度的缩减、集成电路复杂度的增加、电源电压的降低以及工作频率的升高，单粒子翻转、单粒子瞬态脉冲和单粒子功能中断这三种是集成电路的主要故障来源。

■1.2 单粒子效应机理

电荷沉积在半导体材料中，作用到半导体器件，从而发生各种单粒子效应，如图1所示。

图1 电荷沉积和收集

电荷沉积一般分为直接方式和间接方式。直接电离一般是重离子沉积电荷的主要方式，重离子入射半导体器件后会不断损失能量并产生电子空穴对，从而形成沉积电荷；而对于较轻的入射粒子，往往是通过与晶格原子发生碰撞产生核反应，生成重离子，再由重离子发生直接电离，从而通过间接电离的方式实现电荷沉积。

电荷收集主要包括漂移、扩散和双极放大。漂移是指离子入射到PN结附近，在外电场的作用下，离子定向运动造成耗尽区被中和，随之压降也会减少；扩散是在半导体内形成浓度差时，电子由高浓度区流向低浓度区，从而被相应的电极收集。特别是双极晶体管放大效应在工艺尺寸缩小等趋势条件下作用更加明显，如图2所示。

图2 双极放大效应

2 研究现

■2.1 国外研究现状

基于上文对于单粒子效应机理的阐述，目前对于效应机理的研究主要集中在能量沉积分布特性和电荷的收集模型上。

根据R.Katz给出的经典卢瑟福公式，A.S.Kobaya-shi等利用不同能量的粒子对硅半导体进行蒙特卡洛模拟[7]，获得单个高能粒子对不同结构和材料的PN结造成的能量沉积分布特性虽各不相同[8-9]，但一般都认为绝大部分能量沉积在一个直径不大于100nm的靶心状区域内。而对于高能粒子作用在半导体结的模型认识主要有漏斗模型[10]、分流模型[11]、雪崩模型[12]和电荷横向迁移模型[13]等。其中漏斗模型应用最为普遍，即认为电荷收集过程发生的时间一般不大于1ns，非常短，载流子密度的大小直接决定着耗尽层的变化快慢。

同时，国外在对单粒子效应的模拟方法和实验设备上的研究比较深入并已取得成功应用。

在地面模拟空间效应的方式，粒子加速器模拟是目前应用最多的设计和研究方法[14]，借助粒子加速器产生的高能粒子辐照半导体器件。模拟单粒子翻转试验最常用的是回旋加速器，涵盖Kr、O、Ar和Ne等多种气体离子源，具备各等级能量，例如加利福利亚大学伯克利分校有2.34m的加速器，劳伯实验室有2.24m的加速器等，Brookhaven国家实验室(BNL)、Aerospace公司、德州农机(工)大学、加州戴维斯大学、印地安那大学等也有独立的单粒子翻转试验专用设备，具备开展相关实验条件。

此外，脉冲激光模拟方法也是一种地面进行模拟的方法，在1987年由S.P.Buchner和A.K.Richter首次提出[15][16]，激光波长常常为850nm或1060nm，区别于上述加速器实验方法，实验者可以接触脉冲激光实验平台，方便了实验人员对于实验的把控，但成本交较高。例如Aerospace公司、MBDA公司、意国家核物理研究院等具有脉冲机关模拟实验设备，具备开展相关实验的条件。

在抗单粒子效应的设计方法方面，比较FPGA典型的设计。H.D.Schmitz[17]给出了宇航级反熔丝FPGA的加固设计措施，如设计采用多重荣誉冗余可靠性手段，将时序触发替换为组合触发等。M.Gokhale[18]等人研究了FPGA局部重配置，LevKirischian进一步研究了FPGA的局部重配置技术。意大利学者L.Sterpone对SRAM型FPGA的抗单粒子效应设计也提出了一种基于FPGA布局布线的可靠性设计方法。在空间信号处理能力需求增加的背景下，更强的平台结构设计抗辐射加固也有相关的研究。S.E.Groening设计了抗翻转的实时嵌入式操作系统，当发生故障后回到初始运行态，不过尚未完全可靠。

■2.2 国内研究现状

国内相较于国外研究相对滞后，同时也受限于实验条件，国内能够进行单粒子效应模拟试验的单位有北京空间飞行器总体设计部、北京卫星环境工程研究所、中国科学院、中国空间技术研究院、中科院近代物理研究所、高能物理研究所、工程物理研究所、原子能科学研究院、西北核技术研究所等。

李国政等人[19]利用252Cf源和重离子加速器开展了存储型器件的单粒子效应辐照实验。曹洲等人[20]～[22]研究了单粒子闭锁机理，并对单粒子烧毁(SEB)和单粒子栅穿(SEGR)效应进行了实验模拟分析。贺朝会等人[23]对单粒子翻转效应进行了解析分析模拟，识别到部分参数和因素。张庆祥等人[24]进一步对多位翻转进行了探索性研究。

我国还在实践系列卫星上开展了搭载实验，如实践四号卫星利用在轨的宝贵条件下研究了单粒子效应影响，为我国风云一号(B)卫星的单粒子失效历史问题分析追溯到了原因，实践五号卫星研究了单粒子效应加固设计，为大规模数信号处理器件的空间应用提供了参考。