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    飛秒脈沖激光單粒子效應(yīng)評(píng)估技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

    2021-11-22 06:41:16李得天楊生勝張晨光
    核技術(shù) 2021年11期
    關(guān)鍵詞:飛秒載流子光子

    安 恒 李得天 楊生勝 王 鷁 曹 洲 文 軒 王 俊 張晨光 銀 鴻

    (蘭州空間技術(shù)物理研究所真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 蘭州 730000)

    單粒子效應(yīng)(Single Event Effects,SEE)是單個(gè) 高能粒子與微電子器件相互作用所產(chǎn)生的輻射效應(yīng),如:衛(wèi)星在軌運(yùn)行時(shí)電子器件及設(shè)備會(huì)遭受輻射環(huán)境危害引起單粒子效應(yīng),影響器件的功能。隨著我國(guó)航天事業(yè)的飛速發(fā)展,導(dǎo)航衛(wèi)星、高分辨率對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星、新型偵察衛(wèi)星、新型通信衛(wèi)星等軍事需求日益增多,空間任務(wù)的要求也日益復(fù)雜,系統(tǒng)功能不斷拓展,與此同時(shí)還需滿(mǎn)足小型化和低功耗的要求,這些需求都對(duì)核心器件的功能集成度要求迅速提升,需要更強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力,同時(shí)對(duì)功耗、速度等性能要求也不斷提高。

    但是,隨著納米集成電路工藝尺寸的不斷減小,相較于大尺寸的器件,其單粒子效應(yīng)愈加趨向敏感。這一方面由于集成電路特征尺寸的減少、電源電壓的降低,造成器件單粒子翻轉(zhuǎn)閾值電壓同步降低;另一方面,由于工作頻率的升高,使得器件對(duì)于造成瞬時(shí)故障的各種噪聲干擾變得更加敏感[1?3]。其次,隨著工藝尺度的縮減,晶體管尺寸和間距越來(lái)越小,單個(gè)入射粒子可能作用于多個(gè)單元,納米器件電荷共享帶來(lái)的多位翻轉(zhuǎn)及單粒子多瞬態(tài)等新效應(yīng),需要在地面單粒子輻照實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法中進(jìn)行研究考慮;而且,隨工藝尺度的縮減,器件尺寸和間距越來(lái)越小,芯片集成度極大提高,這些特點(diǎn)對(duì)納米集成電路的單粒子效應(yīng)新機(jī)理對(duì)地面模擬實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法提出了新的研究需求。

    目前,評(píng)估單粒子危害的主要手段是重離子加速器,但是隨著器件工藝尺寸的不斷減小,在利用重離子對(duì)不同工藝及不同特征尺寸制作的復(fù)雜集成電路的單粒子效應(yīng)加固性能進(jìn)行評(píng)估時(shí),離子束幾乎全部覆蓋器件或集成電路芯片,導(dǎo)致發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)的位置和時(shí)間幾乎不能確定,給衛(wèi)星電子系統(tǒng)或設(shè)備在設(shè)計(jì)階段提供更為有效的加固措施帶來(lái)一定困難,而且實(shí)驗(yàn)成本高,粒子線(xiàn)性能量轉(zhuǎn)移(Linear Energy Transfer,LET)值等參數(shù)調(diào)節(jié)較困難,改變粒子種類(lèi)和能量需要花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間,此外還會(huì)對(duì)被測(cè)試器件造成一定的輻射損傷等。另外,在器件加固設(shè)計(jì)中,關(guān)鍵問(wèn)題是器件內(nèi)部單粒子效應(yīng)敏感性特征的獲取和減緩設(shè)計(jì)措施的驗(yàn)證,而寬束重離子實(shí)驗(yàn)難以實(shí)現(xiàn)有效評(píng)估,因此,迫切需要開(kāi)發(fā)一種高效、無(wú)輻射危害的新的實(shí)驗(yàn)評(píng)估方法作為重離子試驗(yàn)的補(bǔ)充手段,為器件抗輻射性能評(píng)估提供有力數(shù)據(jù)支持。

    脈沖激光作為一種簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、安全可靠、無(wú)輻射損傷的實(shí)驗(yàn)手段,在模擬單粒子效應(yīng)方面有廣闊應(yīng)用前景,也是最近十幾年除了重離子加速器以外國(guó)內(nèi)外采用的主流手段,它具有敏感區(qū)域準(zhǔn)確定位等優(yōu)點(diǎn),已逐步發(fā)展為重離子單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的有利補(bǔ)充,在電子器件單粒子效應(yīng)加固設(shè)計(jì)性能評(píng)估中得到了廣泛應(yīng)用。

    脈沖激光單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)技術(shù)相比于重離子實(shí)驗(yàn)技術(shù)具有準(zhǔn)確定位敏感區(qū)域、無(wú)輻射危害等優(yōu)點(diǎn),被廣泛用于識(shí)別和表征集成電路的敏感節(jié)點(diǎn)[4?7]。這主要得益于脈沖激光單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)方法的主要優(yōu)勢(shì)在于脈沖激光的定性表征能力,尤其是在沒(méi)有輻射危害的情況下能夠定位和表征集成電路中的單粒子效應(yīng)敏感節(jié)點(diǎn),可以提供重離子實(shí)驗(yàn)無(wú)法提供的關(guān)于單粒子效應(yīng)的時(shí)間和空間信息。在脈沖激光單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)技術(shù)中,最廣泛應(yīng)用的兩種技術(shù)是單光子吸收(Single-photon Absorption,SPA)和雙光子吸收(Two-photon Absorption,TPA)。當(dāng)單個(gè)光子能量大于半導(dǎo)體材料能帶隙時(shí)以單光子吸收為主,而單個(gè)光子的能量小于半導(dǎo)體材料能帶隙時(shí)以雙光子吸收為主。脈沖激光單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)技術(shù)發(fā)展之初,由于受到半導(dǎo)體工藝、激光產(chǎn)生及聚焦等技術(shù)條件的限制,主要以單光子的線(xiàn)性吸收為主研究分析脈沖激光單粒子效應(yīng)機(jī)理以及模擬實(shí)驗(yàn)方法。

    近年來(lái),基于雙光子吸收誘發(fā)產(chǎn)生載流子的飛秒脈沖激光單粒子效應(yīng)模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)[8?10],成為研究微納電子器件單粒子效應(yīng)脈沖激光模擬實(shí)驗(yàn)更有價(jià)值的一種方法,這一方面是由于器件工藝尺寸不斷減小,集成度越來(lái)越高,同時(shí)器件的運(yùn)行速率越來(lái)越快;另一方面主要?dú)w因于脈沖激光穿過(guò)晶圓時(shí)TPA過(guò)程的獨(dú)特性能,即就是將激光直接注入到復(fù)雜電路的指定位置而避開(kāi)金屬層界面的影響。這種實(shí)驗(yàn)方法可以進(jìn)行大量有意義的定性判斷和認(rèn)識(shí),如:敏感節(jié)點(diǎn)的識(shí)別、輻射加固電路設(shè)計(jì)的驗(yàn)證、基本機(jī)理研究、模型驗(yàn)證和校準(zhǔn)、空間任務(wù)用電子器件的篩選以及在復(fù)雜電路中注入故障以分析錯(cuò)誤傳播特性等,可以在電子器件抗輻射評(píng)估及加固設(shè)計(jì)驗(yàn)證中提供關(guān)于單粒子效應(yīng)的空時(shí)等重要信息。

    1 飛秒脈沖激光與物質(zhì)相互作用

    TPA SEE 實(shí)驗(yàn)中,載流子密度的準(zhǔn)確計(jì)算是定量分析TPA誘發(fā)單粒子效應(yīng)的基礎(chǔ)。這不僅能夠預(yù)示分析TPA SEE 實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)參數(shù)改變帶來(lái)的影響,而且還能解釋不同非線(xiàn)性光學(xué)現(xiàn)象對(duì)載流子產(chǎn)生的作用。在模擬分析中,TPA中的自由載流子吸收、自由載流子折射等非線(xiàn)性現(xiàn)象都會(huì)影響載流子密度(CarrierDensity,CD)。通常有兩個(gè)等式描述載流子密度的產(chǎn)生過(guò)程。第一個(gè)是描述CD或者載流子數(shù)N(r,z,t)的時(shí)間變化過(guò)程[2?5]。

    式中:? 是普朗克常數(shù);c 是光速;λ是激光波長(zhǎng);α是SPA 系數(shù);β2是TPA 系數(shù)。式(1)右邊第一項(xiàng)表示SPA 激勵(lì)過(guò)程;第二項(xiàng)表示TPA 激勵(lì)過(guò)程;系數(shù)1/2表示吸收兩個(gè)光子產(chǎn)生一個(gè)電子空穴對(duì)。在一般SEE實(shí)驗(yàn)中,僅有一種激勵(lì)過(guò)程是主要的,另一個(gè)被忽略,因此式(1)中右邊也是僅考慮其中一項(xiàng)。脈沖激光輻照度I(r,z,t)表明了載流子密度的時(shí)間和空間依賴(lài)關(guān)系。假設(shè)聚焦激光光束在空間域和時(shí)域上都是高斯型,則有:

    式中:ω0是光束束腰位置的半徑,也是1/e2時(shí)的光束半徑;Τ是1/e處測(cè)得的脈沖半寬高。光束半徑的軸向依賴(lài)關(guān)系如下:

    其中:z0=(nπω02)/(λ);zfoc是束腰的軸向位置;z是雷利射程(是指輻照度降為初始的1/2 時(shí)相距zfoc的距離);n是介質(zhì)的折射系數(shù)。因此,I0對(duì)應(yīng)輻照度的峰值(I(r=0,z=zfoc,t=0)),等于I0=2E/(πω02τ(π)1/2),E是考慮Fresnel反射的入射到器件內(nèi)的脈沖能量。

    第二個(gè)描述光傳播的等式,考慮光在傳播過(guò)程中的光輻照度衰減,也就是光損耗,關(guān)系如下:

    式(4)右邊分別表示SPA 和TPA 激勵(lì)過(guò)程。將式(4)代入式(1),并對(duì)時(shí)間t積分,就能得到CD 的空間分布情況,也就是N(r,z)。

    McMorrow 等[3]仿真分析了SPA 和TPA 產(chǎn)生的載流子密度隨徑向距離r和軸向距離z的變化。在計(jì)算載流子密度的過(guò)程中,假設(shè)飛秒脈沖激光注入的電荷在器件敏感體積內(nèi)的分布呈現(xiàn)平行六面體結(jié)構(gòu),即就是重離子誘發(fā)單粒子效應(yīng)是所假設(shè)的RPP(Rectangular ParallelePiped Volume)模型。

    從式(1)可以看出,描述TPA誘發(fā)產(chǎn)生的載流子密度分布N(r,z,t)隨時(shí)間變化的等式是:

    式中:?v是光子能量,脈沖激光輻照度I(r,z,t)決定了CD分布的時(shí)空依賴(lài)關(guān)系。假設(shè)聚焦激光在空間分布是時(shí)間分布上都是高斯型光束,對(duì)式(5)進(jìn)行整個(gè)時(shí)間內(nèi)的積分計(jì)算就能得到CD、N(r,z)。如果再對(duì)CD在整個(gè)空間內(nèi)進(jìn)行積分計(jì)算,則得到的值Qmax表示每個(gè)脈沖激光經(jīng)TPA產(chǎn)生的總電荷。Qmax同時(shí)也給出了在假設(shè)RPP 模型和100% 電荷收集的條件下TPA SEE實(shí)驗(yàn)中收集電荷的最大值。

    式中:E是激光入射到硅材料中的脈沖能量(如必須考慮硅材料表面的反射等);τ是激光脈沖在光輻照度1/e處的半寬度;n是介質(zhì)的折射系數(shù);q是電子電荷;β2是雙光子吸收系數(shù)。從式(6)可以看出,Qmax僅包含兩個(gè)實(shí)驗(yàn)測(cè)試參數(shù)E和τ,以及兩個(gè)材料特性參數(shù)β2和n。

    但是,在雙光子非線(xiàn)性吸收過(guò)程中,描述載流子密度分布的數(shù)學(xué)模型如下[1?4]:

    式(7)描述了非線(xiàn)性吸收(Nonlinear Absorbtion,NLA)引起激光脈沖輻照過(guò)程中的光強(qiáng)I(r,z,t)衰減,其中r是光束半徑;z是入射路徑的z軸方向;t是激光入射傳播時(shí)間。式中第一項(xiàng)表示瞬時(shí)雙光子吸收(TPA系數(shù),β2),第二項(xiàng)表示自由載流子吸收(Free Carrier Absorption,F(xiàn)CA)(FCA 截面,σFCA),其與載流子的產(chǎn)生相關(guān)聯(lián)(式中其直接正比于自由載流子密度,N)。

    式(8)描述了雙光子吸收TPA 誘發(fā)產(chǎn)生的自由載流子隨時(shí)間變化的演變過(guò)程(第一項(xiàng)正比于光強(qiáng)I的平方值,其中?w是光子能量)和載流子的減小變化過(guò)程(其依賴(lài)于載流子復(fù)合時(shí)間τ)。

    式(9)描述了電磁場(chǎng)的相位變化過(guò)程,這也是脈沖激光在傳播過(guò)程中波束形狀的改變的最主要原因。其中第一項(xiàng)表示瞬時(shí)非線(xiàn)性折射(Nonlinear Refraction,NLR,n2),第二項(xiàng)表示自由載流子折射(Free Carrier Refraction,F(xiàn)CR,σFCR是非線(xiàn)性折射截面)。非線(xiàn)性折射率n2可正可負(fù),因材料而定,正值表示自聚焦,而負(fù)值表示自散焦。

    式(7~9)中的非線(xiàn)性參數(shù)β2、σFCA、σFCR和n2都是需要通過(guò)非線(xiàn)性光譜計(jì)測(cè)量得到,且這些不同的非線(xiàn)性過(guò)程都會(huì)影響載流子密度分布(圖1),入射激光能量是10 nJ。圖1(a)中僅包含TPA過(guò)程,其載流子分布與較低能量激光照射下TPA起主要作用的過(guò)程中產(chǎn)生的載流子分布類(lèi)似。圖1(b)中顯示是增加了非線(xiàn)性折射現(xiàn)象對(duì)載流子密度分布的影響情況,與僅有TPA 作用相比,NLR 和TPA 同時(shí)作用下使得聚焦光斑超透鏡方向明顯移動(dòng),其載流子密度峰值增加近10 倍。但是一旦考慮自由載流子效應(yīng)時(shí),NLR 的影響就基本被完全忽略了,圖1(c)是增加了自由載流子吸收過(guò)程對(duì)載流子分布的影響分析,與僅有TPA過(guò)程相比,明顯減小了載流子密度的峰值;而且,脈沖激光輻照度的減小明顯降低了NLR 對(duì)載流子密度的貢獻(xiàn)以及聚焦光斑在軸向上的偏移。圖1(d)是FCR 引起載流子密度發(fā)散的情形,這使得在聚焦深度zfoc處出現(xiàn)了更大的光斑以及更小的激光輻照度,與圖1(c)相比,CD 顯得更大,其峰值也進(jìn)一步減小。

    圖1 不同非線(xiàn)性光學(xué)參數(shù)對(duì)TPA誘發(fā)產(chǎn)生載流子密度的影響 (a) TPA,(b) TPA+NLR,(c) TPA+FCA,(d) FCRFig.1 Influence of different nonlinear optical parameters on carrier density induced by TPA(a) TPA, (b) TPA+NLR, (c) TPA+FCA, (d) FCR

    激光能量也會(huì)對(duì)載流子密度分布產(chǎn)生影響,圖2 為3 種不同能量(0.1 nJ、1.0 nJ、10 nJ)下脈沖激光入射硅晶圓時(shí)TPA產(chǎn)生的載流子密度分布變化。圖2 只顯示了距離晶圓表面40 μm 區(qū)域內(nèi)的情形。在圖2(a)所示的低能脈沖激光照射下,TPA 過(guò)程是唯一起重要作用的非線(xiàn)性光學(xué)過(guò)程,CD很類(lèi)似于高斯分布。圖2(b)所示的1 nJ 激光入射產(chǎn)生的CD 和0.1 nJ激光產(chǎn)生的非常相似,僅僅是在軸向發(fā)生了小距離的偏移,這是由于TPA 和FCA 共同作用的結(jié)果。與低能量激光入射情形相比,圖2(c)的10 nJ入射時(shí)產(chǎn)生的CD 明顯不同于高斯分布,在軸向出現(xiàn)了更明顯的偏移且類(lèi)似彗星形狀,圖2(d)是10 nJ入射時(shí)的輻照度分布情況,位移和形狀的改變就更加明顯,這主要是由于其他的非線(xiàn)性光學(xué)過(guò)程(如:FCA、FCR、NLR等)起明顯作用。

    圖2 不同能量脈沖激光對(duì)CD的影響 (a) 0.1 nJ,(b) 1 nJ,(c) 10 nJ,(d) 10 nJFig.2 Effects of different energy pulsed laser on CD (a) 0.1 nJ, (b) 1 nJ, (c) 10 nJ, (d) 10 nJ

    2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)

    2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

    評(píng)估SEE效應(yīng)的輻射危害傳統(tǒng)都是利用加速器產(chǎn)生的重離子束輻照器件實(shí)現(xiàn)的。但脈沖激光雙光子吸收評(píng)估SEE的方法,因其具有無(wú)輻射、低成本的特點(diǎn),且能從器件背面進(jìn)行輻照實(shí)驗(yàn),以及準(zhǔn)確定位入射位置等而被業(yè)界普遍接受,已成為重離子單粒子效應(yīng)評(píng)估方法的有力補(bǔ)充。近年來(lái),國(guó)外諸多研究機(jī)構(gòu)逐漸開(kāi)始利用非線(xiàn)性光學(xué)的方法,尤其是分析半導(dǎo)體中通過(guò)TPA 產(chǎn)生載流子的過(guò)程,這種方法已被廣泛用于模擬衛(wèi)星用微電子器件因輻射引起的單粒子效應(yīng),并開(kāi)展了大量的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究[5]。

    美國(guó)Dale McMOrrow 等[3?5]對(duì)雙光子吸收誘發(fā)單粒子效應(yīng)進(jìn)行了模擬分析和實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究。實(shí)驗(yàn)用的被測(cè)試的設(shè)備(Device Under Test,DUT)為體硅二極管和外延二極管(圖3)。脈沖激光波長(zhǎng)為1 260 nm,脈寬150 fs,重復(fù)頻率1 kHz。激光從DUT正面入射,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

    圖3 體硅二極管和外延二極管飛秒脈沖激光誘發(fā)的瞬態(tài)電流Fig.3 Transient currents of bulk silicon diode and epitaxial diode induced by femtosecond pulse laser

    從圖3中可以看出,在器件晶圓的同一深度處,不同能量引起的收集電荷是不相同的。同時(shí),不同深度的收集電荷也是不相同的,根據(jù)這個(gè)特性,就可以利用Z掃描技術(shù)通過(guò)觀測(cè)瞬態(tài)電流的峰值變化確定晶圓內(nèi)部的敏感深度。這個(gè)方法對(duì)于確定器件敏感體積以及器件抗輻射性能評(píng)估具有重要意義。

    圖4為利用飛秒脈沖激光對(duì)運(yùn)算放大器LM124進(jìn)行單粒子瞬態(tài)效應(yīng)的研究分析,并根據(jù)瞬態(tài)電壓的變化確定了器件內(nèi)部敏感晶體管的三維區(qū)域[6?7]。

    圖4 運(yùn)算放大器LM124 (a),單粒子瞬態(tài)效應(yīng)變化(b)Fig.4 Operational amplifier LM124 (a) and variation of single particle transient (b)

    從圖4 中可以看出,不同深度瞬態(tài)電壓的幅值是不同的,據(jù)此信息就能確定器件內(nèi)部敏感體積的三維分布信息。

    再如利用飛秒脈沖激光輻照LM741CH 獲得單粒子瞬態(tài)效應(yīng)變化如圖5 所示[8],DUT 安裝在一個(gè)金屬罐封裝中,它是一個(gè)由Texas Instruments制造的通用的運(yùn)算放大器。實(shí)驗(yàn)用的飛秒激光脈寬為150 fs,波長(zhǎng)為1 200 nm。

    圖5 LM741CH響應(yīng)與入射脈沖能量的關(guān)系Fig.5 The relationship between LM741CH response and incident pulse energy

    飛秒脈沖激光還可以用于其他器件,如圖6 所示,是一種通用的低功率硅NPN 雙極結(jié)型晶體管BC108[8],測(cè)試期間使用的器件由Mulitcom Pro 制造,并安裝在金屬罐封裝中。

    圖6 BC108測(cè)得的響應(yīng)與1 200 nm波長(zhǎng)入射脈沖能量的關(guān)系Fig.6 The relationship between the response of BC108 and the incident pulse energy at 1 200 nm

    對(duì)于超大規(guī)模集成電路Xilinx Virtex-5 FPGA(Field Programmable Gate Array),利 用 波 長(zhǎng) 為1 200 nm的飛秒脈沖激光進(jìn)行了FPGA配置寄存器的位錯(cuò)誤實(shí)驗(yàn)研究[9],實(shí)驗(yàn)過(guò)程掃描如圖7所示。

    圖7 FPGA的飛秒脈沖激光單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)Fig.7 Single particle effect test of FPGA induced by femtosecond pulsed laser

    對(duì)器件敏感區(qū)域連續(xù)掃描,得到它的位錯(cuò)誤數(shù)據(jù),統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。從表1 中可以看出,發(fā)生位錯(cuò)誤的能量閾值約為300 pJ,之后隨著能量的增加,位錯(cuò)誤總數(shù)將急劇增大,在能量達(dá)到800 pJ后位錯(cuò)誤趨向于飽和狀態(tài)。

    表1 不同區(qū)域配置寄存器位錯(cuò)誤Table 1 Bit error of configuration register in different regions

    在傳統(tǒng)的硅基器件中,通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究表明,飛秒脈沖激光能夠?qū)崿F(xiàn)單粒子效應(yīng)模擬分析,且激光波長(zhǎng)主要集中在1 260 nm。隨著工藝技術(shù)的不斷發(fā)展,航天、航空以及汽車(chē)電子等對(duì)器件性能要求的不斷提高,近年來(lái)涌現(xiàn)出了一些新的不同硅基的器件,如第三代半導(dǎo)體的寬禁帶器件以及碳基器件。利用飛秒脈沖激光Z掃描技術(shù)研究這些器件的敏感性,對(duì)于器件敏感性評(píng)估、器件篩選以及抗輻射加固設(shè)計(jì)的信息獲取等方面都具有重要意義。如對(duì)于新型的寬禁帶器件GaN二極管[10],利用波長(zhǎng)為600 nm左右的激光進(jìn)行了雙光子吸收單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究,脈沖激光的脈寬為150 fs。圖8為630 nm和586 nm激光照射GaN二極管產(chǎn)生單粒子瞬態(tài)的實(shí)驗(yàn)情況,實(shí)驗(yàn)用的激光能量為1.4 nJ。

    圖8 不同波長(zhǎng)飛秒激光在GaN二極管中誘發(fā)的瞬態(tài)電流變化Fig.8 Variations of transient current induced by femtosecond laser with different wavelengths in GaN diodes

    同時(shí)還研究了不同波長(zhǎng)激光引起的瞬態(tài)電流幅值變化(圖9)。

    圖9 光波長(zhǎng)對(duì)瞬態(tài)電流峰值的影響Fig.9 The effect of optical wavelength on transient current peak

    從圖8 和圖9 可以看出,對(duì)于寬禁帶器件,與硅基器件不同,TPA 誘發(fā)產(chǎn)生單粒子效應(yīng)需要光子能量更高,其激光波長(zhǎng)主要集中在500~650 nm,實(shí)驗(yàn)中具體需要的激光波長(zhǎng)還需根據(jù)器件的材料進(jìn)行具體計(jì)算。

    Schwank 等[9?10]對(duì)比分析了SOI(Silicon-On-Insulator)器件由SPA 和TPA 脈沖激光實(shí)驗(yàn)技術(shù)誘發(fā)產(chǎn)生電荷收集,實(shí)驗(yàn)用的SOI 二極管的模型如圖10所示。

    圖10 實(shí)驗(yàn)被測(cè)SOI器件模型與實(shí)物圖Fig.10 Model and physical picture of SOI device under test

    實(shí)驗(yàn)中脈沖激光從器件背面入射[11?14]。TPA 脈沖激光的波長(zhǎng)為1 260 nm,脈寬120 fs,光斑直徑為1.6 μm,激光脈沖的重復(fù)頻率為1 kHz。SPA脈沖激光的波長(zhǎng)為590 nm,脈寬為1 ps,光斑直徑約為1 μm,激光脈沖的重復(fù)頻率為12 kHz。器件反向偏置電壓為3 V。后端用電荷靈敏放大器采集激光輻照誘發(fā)產(chǎn)生的電荷收集過(guò)程。SPA和TPA實(shí)驗(yàn)的電荷收集如圖11所示。

    圖11 SPA和TPA誘發(fā)產(chǎn)生的電荷收集對(duì)比Fig.11 Comparison of the charge collected from diodes induced by TPA and SPA

    SEE敏感性三維圖對(duì)分析器件的敏感程度非常重要,尤其對(duì)于功率MOSFET 和雙極性線(xiàn)性器件,這些器件的敏感體積不是直接在器件頂部表面的下方。了解敏感體積的位置和范圍可通過(guò)協(xié)助改變?cè)O(shè)計(jì)來(lái)減緩SEE,而且對(duì)輻射環(huán)境的SEE 率預(yù)計(jì)也是必不可少的。

    理論上SPA 可以得到SEE 敏感性的三維圖,但是TPA 更加適合,這是因?yàn)門(mén)PA 誘發(fā)產(chǎn)生的電荷局部沉積在焦點(diǎn)周?chē)?,這使得在Z方向提供了更好的分辨率。 圖12 顯示了利用TPA 獲得的功率MOSFET 的SEE 敏感性三維圖,該圖揭示了敏感體積的相對(duì)復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)。

    圖12 TPA誘發(fā)功率MOSFET的SEE敏感性三維圖Fig.12 Three-dimensional view of SEE sensitivity of power MOSFET induced by TPA

    敏感體積深度的定量分析也可以利用SPA或者TPA 實(shí)現(xiàn)。利用SPA 時(shí),最少需要兩種不同波長(zhǎng)脈沖激光,且穿透深度要足夠大;而利用TPA時(shí)利用單一波長(zhǎng)脈沖激光的Z掃描就足以實(shí)現(xiàn)。圖13分別給出了正SET和負(fù)SET的敏感體積深度測(cè)試結(jié)果。

    圖13 LM124負(fù)向(a)和正向(b)瞬態(tài)脈沖的SEE敏感體積深度Fig.13 SEE sensitive volume depth of negative (a) and positive (b) transient pulses of LM124

    圖13中表明,與正向SET 相比,負(fù)向SET 的一些敏感體積位于不同的深度處。

    總之,國(guó)外在飛秒脈沖激光方面的研究已初步開(kāi)展了相關(guān)的仿真分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試,通過(guò)仿真分析了硅材料中雙光子吸收誘發(fā)載流子的過(guò)程,并結(jié)合相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析,驗(yàn)證了飛秒脈沖激光單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)方法的可行性和正確性。

    2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

    國(guó)內(nèi)脈沖激光單粒子效應(yīng)研究以單光子吸收為主,開(kāi)展了器件單粒子效應(yīng)敏感區(qū)域定位、電路系統(tǒng)抗單粒子鎖定驗(yàn)證、單粒子鎖定對(duì)ADC輸出影響分析、電路系統(tǒng)抗單粒子翻轉(zhuǎn)EDAC(Error Detection And Correction)驗(yàn)證、脈沖激光模擬FPGA單粒子效應(yīng)等研究。研究成果不僅在單粒子效應(yīng)機(jī)理研究方面得到了應(yīng)用,而且也在航天型號(hào)任務(wù)中進(jìn)行了推廣。目前主要針對(duì)PWM(Pulse Width Modulator)控制器[15]、SiGe 工藝運(yùn)算放大器、SRAM(Static Random-Access Memory)、FLASH 等器件開(kāi)展了相關(guān)單粒子效應(yīng)研究,并且也利用脈沖激光設(shè)備對(duì)型號(hào)任務(wù)歸零中的單粒子效應(yīng)進(jìn)行了分析驗(yàn)證[16?18]。

    除此之外,中國(guó)科學(xué)院空間中心、航天五院物資部等單位也在開(kāi)展關(guān)于脈沖激光單粒子效應(yīng)的研究,對(duì)傳統(tǒng)的硅基器件開(kāi)展了諸如脈沖激光單粒子效應(yīng)機(jī)理研究、器件抗輻射性能評(píng)估、器件篩選等相關(guān)研究工作,取得的研究成果也用在器件抗輻射設(shè)計(jì)以及衛(wèi)星用器件選用方面,對(duì)提升宇航用器件的抗輻射性能起到了積極作用。

    但是,關(guān)于雙光子非線(xiàn)性吸收的飛秒脈沖激光單粒子效應(yīng)研究目前還是空白。國(guó)內(nèi)現(xiàn)只有航天510所引進(jìn)了國(guó)際最先進(jìn)的飛秒脈沖激光單粒子效應(yīng)模擬設(shè)備,初步從模擬仿真分析和實(shí)驗(yàn)技術(shù)方面開(kāi)展關(guān)于雙光子誘發(fā)單粒子效應(yīng)的相關(guān)研究。圖14為皮秒脈沖激光(波長(zhǎng)1 064 nm、脈寬30 ps)模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備和飛秒脈沖激光(波長(zhǎng)690~1 300 nm、脈寬190 fs~10 ps)。

    圖14 皮秒脈沖激光和飛秒脈沖激光單粒子效應(yīng)模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備Fig.14 Test equipments of picosecond pulse laser and femtosecond pulse laser for SEE simulation

    3 飛秒脈沖激光在抗輻射評(píng)估中的應(yīng)用前景分析

    隨著半導(dǎo)體器件工藝不斷減小,尤其是進(jìn)入35 nm及以下,器件敏感節(jié)點(diǎn)的面積越來(lái)越小,需要更長(zhǎng)波長(zhǎng)的光束以得到更小光斑的脈沖激光,此時(shí)雙光子吸收產(chǎn)生載流子是誘發(fā)器件單粒子效應(yīng)的主要原因。近年來(lái),基于飛秒脈沖激光的雙光子非線(xiàn)性吸收產(chǎn)生載流子分析單粒子效應(yīng)機(jī)理及實(shí)驗(yàn)研究的方法已成為研究微納米電子器件單粒子效應(yīng)的主要方法[19?21]。飛秒脈沖激光TPA在定性分析單粒子效應(yīng)的優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在敏感節(jié)點(diǎn)表征、輻射加固電路驗(yàn)證、脈沖激光誘發(fā)單粒子效應(yīng)機(jī)理研究、模型驗(yàn)證和校準(zhǔn)、空間飛行任務(wù)的器件篩選以及故障注入以分析復(fù)雜電路中的錯(cuò)誤傳播等方面。

    3.1 脈沖激光單粒子效應(yīng)機(jī)理的深度研究

    雙光子吸收的非線(xiàn)性過(guò)程不僅能定性地分析單粒子效應(yīng),還為定量分析計(jì)算單粒子效應(yīng)誘發(fā)電荷提供了極大可能,另外還可以利用雙光子吸收的Z掃描技術(shù)實(shí)現(xiàn)單粒子效應(yīng)敏感區(qū)域定位和單粒子效應(yīng)敏感區(qū)域3D成像[22?23],這樣就能更加詳細(xì)地了解單粒子效應(yīng)的載流子分布的時(shí)空信息,全面分析研究脈沖激光誘發(fā)單粒子效應(yīng)機(jī)理。

    3.2 空間任務(wù)的器件篩選

    一方面脈沖激光具有無(wú)輻射危害的優(yōu)點(diǎn),另一方面飛秒脈沖激光基于雙光子吸收過(guò)程能從器件背面入射激光到特定的位置,直接獲取與單粒子效應(yīng)相關(guān)的器件信息參數(shù),避免了器件金屬層等對(duì)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性的影響,為器件抗輻射加固設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持[24?26]。同時(shí)基于脈沖激光單粒子效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),不僅能為重離子實(shí)驗(yàn)提供數(shù)據(jù)參考,還可以結(jié)合重離子實(shí)驗(yàn)結(jié)果,為器件國(guó)產(chǎn)化替代提供重要敏感信息,為空間任務(wù)的器件篩選提供支持。

    3.3 電子設(shè)備抗輻射評(píng)估中的應(yīng)用

    由于現(xiàn)代衛(wèi)星用電子設(shè)備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)都很復(fù)雜,僅針對(duì)單個(gè)敏感器件的輻照實(shí)驗(yàn)來(lái)評(píng)估整個(gè)系統(tǒng)單粒子效應(yīng)的敏感性顯然是不足的,至今也難以提出衡量系統(tǒng)單粒子效應(yīng)敏感性的特征參數(shù)[27?29]。如針對(duì)器件空間單粒子效應(yīng)敏感性提出的翻轉(zhuǎn)率參數(shù),應(yīng)用在系統(tǒng)敏感性評(píng)估時(shí)就具有一定的局限性和不足;另外,當(dāng)電子系統(tǒng)中某單個(gè)器件發(fā)生單粒子效應(yīng)后,是不是會(huì)誘發(fā)整個(gè)電子系統(tǒng)發(fā)生故障?如果是,那么僅知道器件發(fā)生單粒子效應(yīng)的概率,是不是可預(yù)示其誘發(fā)系統(tǒng)故障的概率?目前仍沒(méi)有明確的結(jié)論。隨著衛(wèi)星電子系統(tǒng)性能的日益提升和現(xiàn)代電子器件結(jié)構(gòu)的不斷復(fù)雜化,重離子的寬束照射方式已逐漸顯現(xiàn)出了其應(yīng)用的局限性[30],需要基于脈沖激光手段進(jìn)一步開(kāi)展深入系統(tǒng)的研究工作來(lái)解決相關(guān)問(wèn)題。

    4 結(jié)語(yǔ)

    脈沖激光單粒子效應(yīng)試驗(yàn)技術(shù)相比于重離子試驗(yàn)技術(shù)具有準(zhǔn)確定位敏感區(qū)域、無(wú)輻射危害等優(yōu)點(diǎn),被廣泛用于識(shí)別和表征集成電路的敏感節(jié)點(diǎn)。這主要得益于脈沖激光的定性表征能力,尤其是在沒(méi)有輻射危害的情況下能夠定位和表征集成電路中的單粒子效應(yīng)敏感節(jié)點(diǎn),可以提供重離子實(shí)驗(yàn)無(wú)法提供的關(guān)于單粒子效應(yīng)的時(shí)間和空間信息。目前,以皮秒脈沖激光為主的單光子吸收模擬試驗(yàn)技術(shù)已在器件敏感區(qū)域定位、抗輻射性能評(píng)估等方面得到了廣泛應(yīng)用。隨著器件工藝的逐漸減小,以及國(guó)產(chǎn)器件替代的技術(shù)驅(qū)動(dòng)下,利用飛秒脈沖激光進(jìn)行器件評(píng)估的實(shí)驗(yàn)技術(shù)能對(duì)器件制造、工藝改進(jìn)、抗輻射加固設(shè)計(jì)等方面提供切實(shí)有力的重要信息。

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