干货分享 | 关于空间辐射位移效应的考核

        位移效应是空间辐射对半导体元器件产生的诸多影响中的一种，造成的永久性损伤会严重影响半导体元器件的可靠性和寿命。其原理类似子弹穿透物体，而对于辐射粒子（不管是带电的离子或者中性的中子）入射到半导体材料内都有机会与半导体晶格原子发生“碰撞”，虽然在空旷的晶格点阵空间里，这种微小粒子能撞到晶格点阵上原子的概率非常小，但是一旦发生了就会产生级联效应。其结果是受到撞击的原子离开晶格点阵位置，成为“间隙原子”，而在原位置留下“空位”，影响半导体元器件的正常运行，且难以修复。

 

        与电离损伤主要影响电路中的氧化物和界面不同，位移损伤会影响半导体的点阵的完整性，“空位”在半导体中是无法移动，成为一个陷阱伺机俘获其他原子（复合），或俘获电子（电子陷阱），尤其是对载流子的俘获会直接降低载流子迁移效率（数量和速度），从而降低半导体传输特性。这种效应对依赖于少子传输的半导体器件的影响尤为明显，如光电子器件（太阳电池，光电探测器），普遍采用依赖少子传输PN结结构，位移效应会造成光电效率的下降。而针对诸如双极型器件，位移效应也会通过对基极影响从而改变双极型器件的电特性。

 

试验标准

        目前在元器件位移效应试验标准主要有GJB548 方法1017.1，该标准只规定了以1MeV等效中子作为辐照源，但标准描述了该试验的目的是考核以非电离能量损失（NIEL Non-Ionizing Energy Loss）作为衡量不同能量中子的等效性。非电离能损描述为辐射粒子传递给晶格散射的能量，单位与LET相同都为MeV cm2/g。下图分别展示了中子，质子和电子在Si中的非电离能损，可见质子的NIEL值最高，电子最小。

 

 

试验源选择

        基于对不同粒子在Si中NIEL差值，GJB548中推荐使用1MeV等效中子。目前中子产生基于核反应，其能谱范围较宽，因此标准中给出了等效的概念。目前可采用均值在1MeV中子和14MeV中子开展试验。二者等效注量之间的换算可采用如下公式，其中Φ(x)为中子能量为x的注量。

        另一种试验源可以选择质子源，1MeV质子在硅中产生NIEL是1MeV中子的40倍。但是采用质子进行位移试验需要关注两个问题：

        1）质子不同于中子，因其带有电荷其绝大多数能量损失是用于电离损耗，质子的电离能损是非电离能损的上千倍，质子在硅材料中是有射程的概念的，而对于中性的中子，其穿透能力不受任何限制。因此在选择质子进行位移损伤试验时，需要考虑质子是否能够穿透器件产生均匀的损伤，推荐使用40 MeV-70 MeV质子，质子与中子之间的注量等效可参考中子之间的等效计算方法。

        2）质子产生总剂量效应同样不可忽略，因此在进行质子位移试验考核时，对器件不要时间偏置，尽量减小电荷的俘获和界面态的形成，同时尽量保证质子累积注量产生电离能损不要超过器件的耐电离效应能力。

 

关于试验后的测试

        无论是采用中子还是质子辐照进行位移损伤试验，因位移效应产生材料的高能态，其本身会产生辐射后的感生放射性，这种放射性会对人体产生伤害，因此辐射试验后，人员不能立即接触试验品，需要根据经验进行长时间放置，待感生放射符合安全阈值时，方能进行辐照后的测试。

 

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