光電耦合器高能質(zhì)子位移輻射損傷效應(yīng)評估

李鵬偉，于慶奎，孟 猛，唐 民，文 平，胡泓波，李家敏

（1. 中國空間技術(shù)研究院 宇航物資保障事業(yè)部，北京 100029；2. 空間電子信息技術(shù)研究院，西安 710100；3. 蘇州半導(dǎo)體總廠有限公司，蘇州 215007；4. 山東淄博萬杰腫瘤醫(yī)院，淄博 255213）

0 引言

在航天領(lǐng)域，光電耦合器（以下簡稱“光耦”）可以作為終端隔離元件運用于長線傳輸信息系統(tǒng)中，可大大提高信噪比；也可以作為直流隔離的接口器件用于計算機數(shù)字通信系統(tǒng)中，增強計算機工作的可靠性?？臻g輻射環(huán)境存在大量的帶電粒子，如電子、質(zhì)子和重離子等。在地球周圍粒子輻照會引起光耦的電特性參數(shù)退化，嚴(yán)重時導(dǎo)致器件失效，從而影響到航天器的在軌任務(wù)。

自從TOPEX/Poseidon飛行器因其光耦器件受質(zhì)子輻照產(chǎn)生位移損傷效應(yīng)造成性能退化，在軌運行2年后失效[1]，光耦器件的空間輻射損傷效應(yīng)引起了國外專家的高度重視。隨即國外發(fā)表了大量關(guān)于光耦輻射效應(yīng)的研究成果，其中有位移輻射效應(yīng)[2-4]、電離輻射效應(yīng)[5]和單粒子效應(yīng)[6-7]等。國內(nèi)在光耦輻射效應(yīng)方面也開展了一些研究，武喜龍利用 Co60γ射線對抗輻射光耦進(jìn)行了電離總劑量試驗研究[8]，周開明等人對光耦的中子輻照損傷進(jìn)行了探索[9]，馮展祖等人利用1 MeV電子和Co60γ射線對光耦的輻射效應(yīng)進(jìn)行了研究[10]。此外，還有跟蹤國外相關(guān)報道的綜述性文章[11]。而關(guān)于高能質(zhì)子輻照對光耦器件的影響還未見國內(nèi)文獻(xiàn)報道。

本文基于高能質(zhì)子輻照，開展光耦位移損傷效應(yīng)試驗，試圖找出質(zhì)子輻照下器件的敏感參數(shù)，獲得敏感參數(shù)在不同質(zhì)子能量、注量下的退化規(guī)律。

1 試驗描述

1.1 試驗樣品

試驗樣品選用國產(chǎn)光耦器件GH302。該器件采用間接耦合方式，輸入端為GaAs 材料紅外發(fā)光二極管，輸出端為Si材料光敏三極管。該器件內(nèi)部不含信號放大電路，內(nèi)部結(jié)構(gòu)及材料如圖1所示。

圖1 GH302光耦內(nèi)部結(jié)構(gòu)及材料示意圖Fig. 1 Schematic diagram of structure and material in GH302 opto-coupler

1.2 質(zhì)子輻照源

輻照試驗在淄博萬杰腫瘤醫(yī)院的質(zhì)子輻照源上進(jìn)行。該輻照源在191.17～230 MeV范圍內(nèi)的能量連續(xù)可調(diào)。輻照試驗中選擇70 MeV和191.17 MeV質(zhì)子進(jìn)行輻照，其中70 MeV能量的質(zhì)子是通過降能片獲得。質(zhì)子束流照射到器件敏感區(qū)表面的不均勻度小于10%。質(zhì)子輻照注量率在106～5×108cm-2·s-1間選取。

1.3 器件電參數(shù)測試

光耦的電參數(shù)測試，是通過SONY Tektronix-370A可編程測試儀中的測試程序進(jìn)行的。該測試程序為自動測試系統(tǒng)，采用原位測試的方式進(jìn)行電參數(shù)測試。輻照過程中，器件不加偏置，各引出端短接。圖2給出了GH302器件輻照測試示意圖。

圖2 光耦輻照測試示意圖Fig. 2 Schematic diagram of irradiation test on the opto-coupler

2 試驗結(jié)果

輻照試驗過程中，考查了光耦器件的正向電壓、三極管反向擊穿電壓和輸出飽和電壓，以及電流傳輸比（CTR）。

2.1 器件電壓參數(shù)變化

各電壓變化關(guān)系如表1、表2所示。

表1 器件電壓參數(shù)在70 MeV質(zhì)子輻照下的變化關(guān)系Table 1 The variations of voltage parameters under 70 MeV proton irradiation

表2 器件電壓參數(shù)在191.17 MeV質(zhì)子輻照下的變化關(guān)系Table 2 The variations of voltage parameters under 191.17 MeV proton irradiation

由表中數(shù)據(jù)可見，采用70 MeV質(zhì)子和191.17 MeV質(zhì)子進(jìn)行輻照，器件正向電壓、反向擊穿電壓和輸出飽和電壓隨質(zhì)子輻照累積注量的增加無明顯變化。

2.2 器件電流傳輸比變化

圖3、圖4分別給出了電流傳輸比在不同能量質(zhì)子輻照下的退化關(guān)系，由圖可見質(zhì)子輻照引起器件電流傳輸比的退化非常明顯。

圖3 電流傳輸比在70 MeV質(zhì)子能量輻照下的變化Fig. 3 The degradation of CTR under 70 MeV protons’irradiation

圖4 電流傳輸比在191.17 MeV質(zhì)子輻照和室溫退火下的變化Fig. 4 The degradation of CTR under 191.17 MeV protons’irradiation and annealing

如圖3所示，在70 MeV質(zhì)子輻照下，電流傳輸比隨著質(zhì)子注量的增加而明顯降低。輻照質(zhì)子注量累積至1.65×109cm-2時，CTR1（測試時，外加驅(qū)動電流 IF1=2 mA）降低至輻照前的 79%左右，CTR2（測試時，外加驅(qū)動電流IF2=10 mA）降低至輻照前的83%；輻照質(zhì)子注量累積至1.65×1010cm-2時，CTR1降低至輻照前的14%左右，CTR2降低至輻照前的21%。這表明，在相同質(zhì)子注量條件下，采用較小驅(qū)動電流的器件比采用較大驅(qū)動電流的器件CTR退化量更大，且隨著輻照質(zhì)子注量的增加，這種退化差異更加明顯。

如圖4所示，在191.17 MeV質(zhì)子輻照下，電流傳輸比隨著質(zhì)子注量的增加而逐步降低。輻照質(zhì)子注量累積至6.87×1010cm-2時，CTR降低至輻照前的50%左右。經(jīng)過室溫12 h退火后，器件CTR無明顯變化。

由以上分析發(fā)現(xiàn)，在相同質(zhì)子注量下，采用不同能量的質(zhì)子進(jìn)行輻照，CTR的退化程度不同；施加不同的驅(qū)動電流，CTR的退化程度明顯不同，且隨著輻照質(zhì)子注量的增加，這種退化差異更加明顯。

通過對191.17 MeV和70 MeV能量的質(zhì)子注量等效到10 MeV的質(zhì)子注量[11]，做出相同驅(qū)動電流條件下的CTR隨質(zhì)子注量的變化曲線，見圖5。在相同等效注量下，較低能量質(zhì)子輻照比較高能量質(zhì)子輻照所引起的器件CTR退化更加嚴(yán)重。輻照至等效質(zhì)子注量為1.28×1010cm-2時，受70 MeV能量質(zhì)子輻照的器件CTR降低至輻照前的14%，而受191.17 MeV能量質(zhì)子輻照的器件CTR才降至輻照前的80%。其主要原因是光耦器件最終的性能退化取決于非電離能量損失（NIEL）引起的位移損傷密度，而在能量＞80 MeV的質(zhì)子輻照下，相同的NIEL產(chǎn)生的位移損傷密度明顯低于較低能量質(zhì)子輻照的情況[12]。

圖5 等效10 MeV質(zhì)子注量條件下的CTR變化Fig. 5 The degradation of CTR under equivalent 10 MeV protons’ irradiation

3 電流傳輸比退化原因分析

光耦GH302是由GaAs材料的發(fā)光二極管和NPN結(jié)構(gòu)的光敏三極管組成，器件采用間接耦合方式，中間涂有Si材料的導(dǎo)光膠進(jìn)行光耦合增益，其工作原理如圖6所示。

圖6 光耦工作原理圖Fig. 6 The working principle of the opto-coupler

由CTR=(IC/IF)×100%和GH302結(jié)構(gòu)材料可知，CTR的退化與光耦器件中的發(fā)光二極管、光敏三極管和導(dǎo)光膠的質(zhì)子輻照損傷有關(guān)。GaAs發(fā)光二極管為多數(shù)載流子器件，受質(zhì)子輻照引起的位移損傷的影響較小；光敏三極管為NPN結(jié)構(gòu)的Si材料，為少數(shù)載流子器件，受質(zhì)子輻照易產(chǎn)生位移損傷，引入缺陷能級，形成多數(shù)載流子的復(fù)合中心和少數(shù)載流子的捕獲中心，從而致使發(fā)光二極管的發(fā)光效率降低；而在光敏三極管中形成的多數(shù)載流子的復(fù)合中心與光生載流子的不斷復(fù)合，使光生載流子數(shù)減少，直接引起CTR下降；導(dǎo)光膠（Si材料）受質(zhì)子輻照引起位移缺陷，光傳輸過程中受缺陷的捕獲或散射，使光功率降低，也是引起CTR下降的原因之一。

4 結(jié)論

通過以上分析可以得出以下結(jié)論：

1）試驗結(jié)果表明，器件正向電壓、反向擊穿電壓和輸出飽和電壓隨質(zhì)子輻照累積注量的增加變化不敏感，而電流傳輸比隨輻照質(zhì)子注量的增加出現(xiàn)明顯的退化；

2）質(zhì)子輻照引起光耦器件電流傳輸性能退化的主要原因是輻照引起的位移損傷；

3）不同能量質(zhì)子輻照試驗結(jié)果表明，在等效10 MeV質(zhì)子注量條件下，70 MeV能量的質(zhì)子比191.17 MeV能量的質(zhì)子引起光耦器件CTR的退化更嚴(yán)重，其主要原因是低能質(zhì)子的NIEL產(chǎn)生的位移損傷密度比高能質(zhì)子的大；

4）在70 MeV能量質(zhì)子的輻照下，與較小驅(qū)動電流相比，較大驅(qū)動電流下的光耦器件的 CTR退化程度較小。因此，建議光耦器件在使用中可以采用增大驅(qū)動電流的方式進(jìn)行降額使用。

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