宇航用雙極器件和光電耦合器位移損傷試驗研究

李 錚，于慶奎，羅 磊，孫 毅，梅 博，唐 民

（中國航天宇航元器件工程中心，北京 100029）

宇航用雙極器件和光電耦合器位移損傷試驗研究

李 錚，于慶奎，羅 磊，孫 毅，梅 博，唐 民

（中國航天宇航元器件工程中心，北京 100029）

文章針對器件的位移損傷效應，利用質子加速器產生的質子及反應堆中子對化合物器件和硅器件位移損傷進行試驗研究，得到了GaAs光電耦合器的電流傳輸比（CTR）和硅晶體管電流增益hFE的退化率隨等效劑量的變化規(guī)律。研究結果表明，在質子70 MeV以上高能量范圍，對于硅器件適用的位移損傷等效原理對于GaAs化合物器件則不再適用，需要修正。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，給出了經驗的修正系數(shù)。

雙極器件；光電耦合器；輻射效應；位移損傷；等效劑量；試驗研究

0 引言

空間輻射會導致航天器電子系統(tǒng)用元器件性能退化，甚至失效。元器件空間輻射效應包括電離總劑量效應、單粒子效應和位移損傷效應。和電離總劑量效應一樣，位移損傷效應屬于累積效應。國內外研究表明，位移損傷效應和電離總劑量效應共同作用會導致雙極器件和光電器件性能下降，甚至失效。位移損傷效應會引起雙極器件電流增益下降，發(fā)光管發(fā)光功率下降，光電耦合器電流傳輸比下降，CCD電荷轉移效率下降、暗信號增強等。

航天器空間粒子輻射環(huán)境由帶能量的電子、質子和少量的高能重離子構成。航天器內部器件的位移損傷主要是質子引起的?？臻g質子的能量范圍在0.1～400 MeV，在地面實驗室難以模擬出真實的空間輻射環(huán)境。國內外通過大量理論和試驗研究[1-3]，針對空間連續(xù)譜粒子的位移損傷地面評估需求，提出了位移損傷等效試驗評估方法。通過應用該方法，可將空間環(huán)境中復雜的高能粒子能譜轉換為單一能量粒子的注量或劑量，進而可以通過地面單能加速器試驗的方法對位移損傷效應進行評估。

目前國內外對位移損傷等效試驗評估法是否適用于所有器件還缺乏足夠研究[4]。已開展的質子試驗研究[5-8]中，能量主要集中于10 MeV以下，大于70 MeV的高能質子試驗數(shù)據(jù)不多。本文以化合物器件光電耦合器、硅雙極晶體管為對象，利用質子加速器產生的質子及反應堆中子進行試驗，對化合物器件和硅器件位移損傷規(guī)律進行試驗研究，并對位移損傷等效試驗的應用條件進行分析。

1 位移損傷等效試驗方法

輻射粒子產生位移損傷的能力用非電離能損（NIEL）表征，其含義是入射粒子通過非電離方式在單位距離內傳遞給晶格的能量。

空間連續(xù)譜質子位移損傷劑量由

計算得到，式中：E為質子能量；f(E)為空間質子微分能譜；Emax和Emin分別為空間質子最大能量和最小能量。

對連續(xù)譜空間質子產生的位移損傷，在地面實驗室采用一種能量的粒子進行模擬試驗，試驗用粒子等效注量為

式中Eeff為試驗用粒子的能量。

從式(1)～(2)可以看到，為了應用位移損傷等效試驗方法，需要知道不同種類、能量的粒子在器件材料中的非電離能損值，本文使用的非電離能損數(shù)據(jù)引自文獻[9-11]。

2 輻照試驗

2.1 試驗樣品

試驗樣品包括光電耦合器GH302和NPN型硅小功率開關晶體管F2N2222A，具體信息見表1。

表1 試驗樣品信息Table 1 Information of the experimental samples

GH302由 GaAlAs發(fā)光管和硅光敏晶體管構成。試驗樣品未開帽進行輻照。

對于F2N2222A，為了減少封裝材料對質子能量的衰減作用，試驗前，樣品均開帽、露出芯片。

2.2 輻射源

輻射源為加速器產生的高能質子和反應堆中子。質子輻照試驗在瑞士PSI（Paul Scherrer Institute）高能質子加速器和淄博萬杰醫(yī)院質子輻照源上進行。PSI加速器的質子能量在70～250 MeV之間連續(xù)可調。采用降能片可獲得能量低于70 MeV的質子。淄博萬杰醫(yī)院質子輻照源的質子能量在191～230 MeV范圍內連續(xù)可調，采用降能片獲得能量低于191 MeV的質子。通過加準直孔獲得所需的輻照束流區(qū)域，試驗用束流直徑為3 cm。質子的注量率在1×106～5×109p/(cm2·s)范圍內可調。試驗用質子能量較高，在大氣環(huán)境中的射程足夠長，因此，輻照試驗可在大氣環(huán)境中進行。

中子輻照試驗在西北核技術研究所中子反應堆進行。中子等效能量1 MeV。試驗過程中，中子的注量率為4.3×107n/(cm2·s)。

2.3 電參數(shù)測量方法

采用移位法對輻照前后的樣品電參數(shù)進行測量。測量的電參數(shù)及條件按照產品詳細規(guī)范規(guī)定。GH302電參數(shù)測量采用 Tektronix-370A可編程圖示儀。F2N222A電參數(shù)測量采用專用半導體分立器件測試系統(tǒng)。

2.4 試驗結果

1）GH302質子和中子輻照試驗

在加速器上進行質子輻照試驗，試驗樣品分為2組，每組5只，質子能量分別為70 和191 MeV，輻照前、后測量光耦GH302的電流傳輸比CTR（測試條件IF=2 mA、Vce=10 V）。

輻照后CTR的退化率為

其中：CTR0為輻照前測量數(shù)據(jù)；CTR為輻照后測量數(shù)據(jù)。

光耦GH302的CTR退化率隨入射質子注量的變化情況見表2。

表2 光耦GH302的CTR退化率隨不同能量入射質子注量的變化Table 2 CRT degeneration rate vs.proton fluence and energy for GH302 optocoupler

從表2可見，在質子能量不變的情況下，CTR退化率隨注量的增加而增大；CTR退化程度與質子能量有關，當 191 MeV質子注量達到 2.78× 1010p/cm2時，器件CTR退化率仍小于70 MeV質子輻照到3.30×109p/cm2注量時的退化率。試驗數(shù)據(jù)表明，輻照到相同注量時，低能質子引起的退化率大于高能質子的。

選取GH302試驗樣品，在脈沖反應堆上進行中子輻照試驗。輻照前后測量 CTR。計算結果見表3。

表3 光耦GH302的CTR退化率隨等效1 MeV中子注量的變化Table 3 CTR degeneration rate vs.equivalent 1 MeV neutron fluence for GH302 optocoupler

表3數(shù)據(jù)表明，隨中子輻照注量的增加，CTR退化率不斷增加。

2）F2N2222A質子輻照試驗

將F2N2222A試驗樣品分成3組，每組3只，分別用191、51、17 MeV質子進行輻照試驗，注量率為6×107～2×108p/(cm2·s)。輻照前后測量晶體管電流增益hFE，并計算輻照后電流增益退化率

其中：hFE0為輻照前測量數(shù)據(jù)；hFE為輻照后測量數(shù)據(jù)。

以質子注量為1.0×1011p/cm2為例，電流增益退化率與入射質子能量的關系見表4。

表4 F2N2222A在不同能量質子輻照后晶體管電流增益退化率Table 4 Current gain degeneration rate of F2N2222A irradiated by proton of different energies

表4數(shù)據(jù)顯示，對于相同的質子輻照注量，質子能量越低，晶體管電流增益退化率越大。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 GaAs類型的GH302試驗數(shù)據(jù)分析

圖1為 GH302光耦器件在 70 MeV質子、191 MeV質子和核反應堆中子輻照下CTR退化率隨位移損傷劑量變化的擬合結果。橫軸為利用NIEL折算得到的質子位移損傷劑量，縱軸為光耦器件的CTR退化率。

由圖1可見，輻照到相同的位移損傷劑量，70 MeV質子引起的器件性能退化大于191 MeV質子的。CTR退化率隨位移損傷劑量變化的擬合曲線公式為

其中y1為等效 1 MeV中子的擬合曲線，y2為70 MeV質子的擬合曲線，y3為191 MeV質子的擬合曲線。

從式(5)～(7)可以發(fā)現(xiàn)，光耦 GH302的性能退化與位移損傷劑量成二次多項式關系。通過擬合曲線的公式，可以算出當位移損傷劑量為 1× 107MeV/g時，70 MeV的質子對GH302性能造成的影響是191 MeV質子的4.5倍。過去的研究[12-13]表明，對于GaAs等化合物器件，質子在50 MeV以上的高能區(qū)，位移損傷等效方法不適用，這與本文試驗結果相符。

采用基于Geant4的仿真程序計算1～400 MeV質子輻照GaAs時缺陷的產生過程。隨質子能量增加，此過程中材料的缺陷由點缺陷向缺陷簇轉變。同時由庫侖散射效應產生的點缺陷大大減少。在高能區(qū)，質子在GaAs材料中的NIEL主要由核反應產生的次級粒子構成。隨入射質子能量的增加，材料中缺陷的總數(shù)減少了，但每次入射粒子通過核反應產生次級粒子，由于形成缺陷簇，帶來了比點缺陷更多的NIEL，這是導致NIEL曲線在高能區(qū)并未持續(xù)降低的原因。如果器件的性能指標受缺陷簇的影響沒有NIEL受缺陷簇的影響大，則NIEL曲線與器件性能退化曲線將不匹配。

3.2 硅類型F2N2222A質子輻照數(shù)據(jù)分析

圖2所示為F2N2222A電性能退化與質子位移損傷劑量的關系，橫軸為通過NIEL換算得到的位移損傷劑量，縱軸為器件電流增益退化率。圖中圓圈為試驗點，分別對應1.0×1010p/cm2注量下，17、51、191 MeV三種能量質子輻照下的電流增益退化率；直線為試驗點的擬合結果。

圖2中擬合曲線的公式為

由式(8)可見，對于硅器件F2N2222A，其電性能退化與入射粒子在器件中沉積的位移損傷劑量成線性關系，這與國外文獻中報道的相同注量不同能量的質子輻照試驗結果吻合?？梢妼τ诠杵骷?，不同能量質子試驗結果符合位移損傷等效原理。

根據(jù)試驗獲得的數(shù)據(jù)，可由計算得到的航天器內部具體位置位移損傷劑量推算出器件的電參數(shù)退化程度。例如通過計算[14]可獲得GEO下某8年飛行壽命航天器內部一處的位移損傷劑量為2.68×108MeV/g，通過在質子擬合曲線中取該點，可以得到該條件下 F2N2222A 的性能退化為7.97%。設計師可據(jù)此進行器件選用和加固設計。

4 結論

1）對于GaAs類型GH302，輻照到相同位移損傷劑量，70 MeV質子產生的位移損傷大于191 MeV質子的，驗證了在質子高能量范圍，位移損傷等效評估方法不再適用，需要修正。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，得到70 MeV質子的位移損傷約為191 MeV質子的4.5倍。

2）對于硅類型 F2N2222A，質子的位移損傷等效原理成立。不同能量質子輻照，只要最終位移損傷劑量相同，則造成的器件性能退化相同。

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（編輯：馮露漪）

Experimental study on displacement damage of aerospace bipolar and optocoupler devices

LI Zheng, YU Qingkui, LUO Lei, SUN Yi, MEI Bo, TANG Min
(China Aerospace Component Engineering Center, Beijing 100029, China)

To study the displacement damage effects, the proton accelerator and the neutron nuclear reactor are used to determine the displacement damage of compound semiconductor devices and silicon devices used for spacecraft.The curves of the degradation vs.the equivalent dose of the CTE of the GaAs optocpupler and the current amplification(hFE) of the silicon transistors are obtained.By analyzing the radiation test data for the optocoupler and the bipolar transistor, it is concluded that the displacement damage equivalence for the silicon devices is no longer valid for the GaAs compound devices, thus a correction is needed.Empirical correction coefficients are then determined according to the test data.

bipolar device; optocoupler device; radiation effect; displacement damage; equivalent dose; experimental study

TN406

：A

：1673-1379(2017)01-0086-05

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.01.014

李 錚（1990—），男，碩士研究生，研究方向為宇航元器件輻射效應；E-mail: lizhengcasc@163.com。指導教師：于慶奎（1964—），男，研究員，研究方向為宇航元器件輻射加固保證；E-mail: yuqingkui@263.net。

2016-05-17；

：2017-02-03

國家自然科學基金項目（編號：11475256）

李錚,于慶奎,羅磊,等.宇航用雙極器件和光電耦合器位移損傷試驗研究[J].航天器環(huán)境工程，2017，34(1): 86-90

LI Z, YU Q K, LUO L, et al.Experimental study on displacement damage of aerospace bipolar and optocoupler devices[J].Spacecraft Environment Engineering, 2017, 34(1): 86-90