航天空間環(huán)境單粒子效應(yīng)研究

趙興，栗偉珉，程向麗，王曦煜，李昂陽(yáng)

（1.中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京，100076；2.北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所，北京，100076）

0 引言

宇宙空間環(huán)境存在多種高能帶電粒子，由太陽(yáng)風(fēng)暴等輻射源[1]產(chǎn)生，這些粒子入射到人造航天器電子系統(tǒng)中的半導(dǎo)體器件后，經(jīng)常會(huì)在器件內(nèi)部造成各種電離輻射效應(yīng)，并會(huì)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。這些電荷被器件敏感區(qū)收集，會(huì)造成邏輯器件狀態(tài)的改變或損壞[2]，從而嚴(yán)重地影響航天器的可靠性和壽命，這些故障就是單粒子效應(yīng)(Single Event Effect)。

在空間輻射環(huán)境中，集成電路的抗單粒子能力會(huì)隨著工藝尺寸的縮小不斷下降，而其他的電離輻射效應(yīng)[3-6]，與工藝尺寸并不構(gòu)成這樣的矛盾，因此單粒子效應(yīng)就成為航天器在軌運(yùn)行中的一個(gè)主要的可靠性問(wèn)題?；诖?，本文對(duì)單粒子效應(yīng)的基本故障類型、機(jī)理以及現(xiàn)狀進(jìn)行了究。

1 基本故障類型機(jī)理

■1.1 單粒子效應(yīng)分類

單粒子效應(yīng)分類如表1所示。單粒子燒毀（Single Event Burn out）和單粒子?xùn)艙舸?Single Event Gate Rupture)造成的危害性極大，會(huì)使被粒子輻射的器件造成永久性損壞，這兩種主要發(fā)生在大功率或者高電壓器件當(dāng)中。單粒子翻轉(zhuǎn)(Single Event Upset)、單粒子閉鎖(Single Event Latchup)、單粒子瞬態(tài)脈沖(Single Event Transient)和單粒子功能中斷(Single Event Functional Interrupt)，不會(huì)使器件本身發(fā)生損壞，但會(huì)造成有效存儲(chǔ)信息的暫時(shí)性翻轉(zhuǎn)或者擾動(dòng)，是可逆的，能夠通過(guò)掉電復(fù)位恢復(fù)的。幾種效應(yīng)形式特點(diǎn)如下：

表1 單粒子效應(yīng)類型分類

（1）單粒子翻轉(zhuǎn)主要發(fā)生在SRAM、DRAM等存儲(chǔ)陣列中；

（2）單粒子閉鎖主要發(fā)生在CMOS器件中；

（3）單粒子瞬態(tài)脈沖引起的暫時(shí)性翻轉(zhuǎn)及擾動(dòng)在鎖相環(huán)等模擬電路中引起的問(wèn)題較很常見(jiàn)，而在數(shù)字電路中發(fā)生時(shí)，單粒子瞬態(tài)脈沖就轉(zhuǎn)化成了單粒子翻轉(zhuǎn)；

（4）單粒子功能中斷是當(dāng)單粒子翻轉(zhuǎn)發(fā)生在控制寄存器，引起電路功能故障。

隨著工藝尺度的縮減、集成電路復(fù)雜度的增加、電源電壓的降低以及工作頻率的升高，單粒子翻轉(zhuǎn)、單粒子瞬態(tài)脈沖和單粒子功能中斷這三種是集成電路的主要故障來(lái)源。

■1.2 單粒子效應(yīng)機(jī)理

電荷沉積在半導(dǎo)體材料中，作用到半導(dǎo)體器件，從而發(fā)生各種單粒子效應(yīng)，如圖1所示。

圖1 電荷沉積和收集

電荷沉積一般分為直接方式和間接方式。直接電離一般是重離子沉積電荷的主要方式，重離子入射半導(dǎo)體器件后會(huì)不斷損失能量并產(chǎn)生電子空穴對(duì)，從而形成沉積電荷；而對(duì)于較輕的入射粒子，往往是通過(guò)與晶格原子發(fā)生碰撞產(chǎn)生核反應(yīng)，生成重離子，再由重離子發(fā)生直接電離，從而通過(guò)間接電離的方式實(shí)現(xiàn)電荷沉積。

電荷收集主要包括漂移、擴(kuò)散和雙極放大。漂移是指離子入射到PN結(jié)附近，在外電場(chǎng)的作用下，離子定向運(yùn)動(dòng)造成耗盡區(qū)被中和，隨之壓降也會(huì)減少；擴(kuò)散是在半導(dǎo)體內(nèi)形成濃度差時(shí)，電子由高濃度區(qū)流向低濃度區(qū)，從而被相應(yīng)的電極收集。特別是雙極晶體管放大效應(yīng)在工藝尺寸縮小等趨勢(shì)條件下作用更加明顯，如圖2所示。

圖2 雙極放大效應(yīng)

2 研究現(xiàn)

■2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

基于上文對(duì)于單粒子效應(yīng)機(jī)理的闡述，目前對(duì)于效應(yīng)機(jī)理的研究主要集中在能量沉積分布特性和電荷的收集模型上。

根據(jù)R.Katz給出的經(jīng)典盧瑟福公式，A.S.Kobaya-shi等利用不同能量的粒子對(duì)硅半導(dǎo)體進(jìn)行蒙特卡洛模擬[7]，獲得單個(gè)高能粒子對(duì)不同結(jié)構(gòu)和材料的PN結(jié)造成的能量沉積分布特性雖各不相同[8-9]，但一般都認(rèn)為絕大部分能量沉積在一個(gè)直徑不大于100nm的靶心狀區(qū)域內(nèi)。而對(duì)于高能粒子作用在半導(dǎo)體結(jié)的模型認(rèn)識(shí)主要有漏斗模型[10]、分流模型[11]、雪崩模型[12]和電荷橫向遷移模型[13]等。其中漏斗模型應(yīng)用最為普遍，即認(rèn)為電荷收集過(guò)程發(fā)生的時(shí)間一般不大于1ns，非常短，載流子密度的大小直接決定著耗盡層的變化快慢。

同時(shí)，國(guó)外在對(duì)單粒子效應(yīng)的模擬方法和實(shí)驗(yàn)設(shè)備上的研究比較深入并已取得成功應(yīng)用。

在地面模擬空間效應(yīng)的方式，粒子加速器模擬是目前應(yīng)用最多的設(shè)計(jì)和研究方法[14]，借助粒子加速器產(chǎn)生的高能粒子輻照半導(dǎo)體器件。模擬單粒子翻轉(zhuǎn)試驗(yàn)最常用的是回旋加速器，涵蓋Kr、O、Ar和Ne等多種氣體離子源，具備各等級(jí)能量，例如加利福利亞大學(xué)伯克利分校有2.34m的加速器，勞伯實(shí)驗(yàn)室有2.24m的加速器等，Brookhaven國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(BNL)、Aerospace公司、德州農(nóng)機(jī)(工)大學(xué)、加州戴維斯大學(xué)、印地安那大學(xué)等也有獨(dú)立的單粒子翻轉(zhuǎn)試驗(yàn)專用設(shè)備，具備開(kāi)展相關(guān)實(shí)驗(yàn)條件。

此外，脈沖激光模擬方法也是一種地面進(jìn)行模擬的方法，在1987年由S.P.Buchner和A.K.Richter首次提出[15][16]，激光波長(zhǎng)常常為850nm或1060nm，區(qū)別于上述加速器實(shí)驗(yàn)方法，實(shí)驗(yàn)者可以接觸脈沖激光實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，方便了實(shí)驗(yàn)人員對(duì)于實(shí)驗(yàn)的把控，但成本交較高。例如Aerospace公司、MBDA公司、意國(guó)家核物理研究院等具有脈沖機(jī)關(guān)模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備，具備開(kāi)展相關(guān)實(shí)驗(yàn)的條件。

在抗單粒子效應(yīng)的設(shè)計(jì)方法方面，比較FPGA典型的設(shè)計(jì)。H.D.Schmitz[17]給出了宇航級(jí)反熔絲FPGA的加固設(shè)計(jì)措施，如設(shè)計(jì)采用多重榮譽(yù)冗余可靠性手段，將時(shí)序觸發(fā)替換為組合觸發(fā)等。M.Gokhale[18]等人研究了FPGA局部重配置，LevKirischian進(jìn)一步研究了FPGA的局部重配置技術(shù)。意大利學(xué)者L.Sterpone對(duì)SRAM型FPGA的抗單粒子效應(yīng)設(shè)計(jì)也提出了一種基于FPGA布局布線的可靠性設(shè)計(jì)方法。在空間信號(hào)處理能力需求增加的背景下，更強(qiáng)的平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)抗輻射加固也有相關(guān)的研究。S.E.Groening設(shè)計(jì)了抗翻轉(zhuǎn)的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)生故障后回到初始運(yùn)行態(tài)，不過(guò)尚未完全可靠。

■2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)相較于國(guó)外研究相對(duì)滯后，同時(shí)也受限于實(shí)驗(yàn)條件，國(guó)內(nèi)能夠進(jìn)行單粒子效應(yīng)模擬試驗(yàn)的單位有北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部、北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所、中國(guó)科學(xué)院、中國(guó)空間技術(shù)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、原子能科學(xué)研究院、西北核技術(shù)研究所等。

李國(guó)政等人[19]利用252Cf源和重離子加速器開(kāi)展了存儲(chǔ)型器件的單粒子效應(yīng)輻照實(shí)驗(yàn)。曹洲等人[20]～[22]研究了單粒子閉鎖機(jī)理，并對(duì)單粒子燒毀(SEB)和單粒子?xùn)糯?SEGR)效應(yīng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)?zāi)M分析。賀朝會(huì)等人[23]對(duì)單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)進(jìn)行了解析分析模擬，識(shí)別到部分參數(shù)和因素。張慶祥等人[24]進(jìn)一步對(duì)多位翻轉(zhuǎn)進(jìn)行了探索性研究。

我國(guó)還在實(shí)踐系列衛(wèi)星上開(kāi)展了搭載實(shí)驗(yàn)，如實(shí)踐四號(hào)衛(wèi)星利用在軌的寶貴條件下研究了單粒子效應(yīng)影響，為我國(guó)風(fēng)云一號(hào)(B)衛(wèi)星的單粒子失效歷史問(wèn)題分析追溯到了原因，實(shí)踐五號(hào)衛(wèi)星研究了單粒子效應(yīng)加固設(shè)計(jì)，為大規(guī)模數(shù)信號(hào)處理器件的空間應(yīng)用提供了參考。

3 結(jié)論

本文針對(duì)宇宙輻射帶來(lái)的單粒子效應(yīng)問(wèn)題，分析了基本故障類型及機(jī)理，并結(jié)合當(dāng)前國(guó)內(nèi)外對(duì)該效應(yīng)的認(rèn)識(shí),給出相關(guān)研究現(xiàn)狀，同時(shí)針對(duì)在地面開(kāi)展該效應(yīng)的模擬方法、試驗(yàn)設(shè)備以及抗單粒子效應(yīng)設(shè)計(jì)等方面，進(jìn)行了分析，介紹了國(guó)內(nèi)搭載實(shí)驗(yàn)取得的相關(guān)成果，從而為預(yù)防和降低單粒子效應(yīng)對(duì)航天器造成的損害工作研究提供相關(guān)依據(jù)。