激光模拟单粒子效应设备及试验研究进展综述

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1、航天器环境工程第27卷第3期304SI?ACECRAFTENVIRONMENTENGINEERlNG2010年6月激光模拟单粒子效应设备及试验研究进展综述薛玉雄，田恺，曹洲，杨生胜，马亚莉(兰州物理研究所真空低温技术与物理国家级重点实验室，兰州730000)摘要：单粒子效应的脉冲激光模拟方法是单粒子效应地面模拟试验中近年来才发展起来的一种方法。文章主要介绍了脉冲激光模拟单粒子效应的基本原理、特点及国内外研究进展。研究表明脉冲激光模拟是一种有效、安全，经济、方便的地面模拟单粒子效应的方法，在器件单粒子效应危害评估及电路

2、加固验证方面具有明显的优势。关键词：单粒子效应；脉冲激光模拟；空间辐射；集成电路中图分类号：V520．6：V524．3文献标识码：A文章编号：1673-1379(2010)03-0304-09DoI：10．39698．issn．1673—1379．2010．03．0070引言单粒子效应(SEE)是指空间辐射环境中高能粒子与电子器件或电路相互作用，使后者产生逻辑错误、功能异常乃至器件或电路损毁的现象。单粒子效应是诱发航天器电子系统故障和异常的主要因素之一，已成为航天器设计师们关注的焦点【1。21。单粒子效应地面模拟试验

3、研究可采用的模拟源有很多[31，如重离子加速器、天然放射源以及脉冲激光束等。重离子加速器是研究单粒子效应的主要模拟手段，已取得了巨大成功。但重离子加速器模拟手段存在一定的局限性，比如，粒子参数调节困难、束流时间有限、试验费用高、有一定的辐射损伤等。此外，质子加速器产生的高能质子也是重要的模拟源，但目前国内还不具备。锎(252Cf)源是利用放射源裂变产生的碎片模拟单粒子效应，主要优点是设备及试验费用低廉、使用方便、近似点源，但只适合于测量灵敏层分布较浅的器件，同时其放射性威胁以及射程短等因素也使其应用受到限制。脉冲激光

4、模拟【4】是近十几年来才开发应用于集成电路加固设计验证的实验室评估手段，它可以在很大程度上弥补前两种方法的不足。单粒子效应的脉冲激光模拟研究起源于D．H．Habing在1965年的研究工作【5】，到20世纪90年代末已有了较多的成果，主要包括：用脉冲激光测试器件的单粒子翻转阈值，获取存储器的位图以及研究逻辑电路中单粒子扰动的传输机制等。因其操作简单、便捷，对被测试器件无损伤，并且具有很多加速器模拟手段不具备的特色(例如能够分辨器件的灵敏单元、诊断逻辑电路中扰动的时间传输等特性)，因而脉冲激光模拟手段在器件的单粒子效应

5、敏感度测试、加固器件的批量筛选以及加固电路的验证等方面展现了其特有的优势。近年来在国外获得了迅速的发展，相继建立了一批先进的激光模拟试验系统，利用激光在器件芯片扫描照射的办法，研究整个器件对单粒子效应的敏感性，获取整个器件的单粒子翻转截面，开展脉冲激光从器件背面辐照模拟试验、fs激光模拟试验技术以及单粒子效应数值模拟等工作。1脉冲激光模拟单粒子效应机理1．1基本原理空间单粒子效应主要是由重离子、质子和中子引起的。质子和中子是通过与半导体材料的核相互作用产生重离子，然后由重离子诱发单粒子效应。脉冲激光诱发单粒子效应的物

6、理机制与重离子类似(如图1所示)，区别仅在于：1)电离机制不同。重离子与半导体材料发生库仑作用，形成电子一空穴对；而脉冲激光则是通过光电效应，产生电子．空穴对。2)径迹结构不一样。激光的径向电荷浓度在中心强烈峰化并随半径而急剧衰减，并在收稿日期：2009．10．27；修回日期：2009．11．26基金项目：真空低温技术与物理国家级重点实验室基金(项目编号：9140C550504100C55)作者简介：薛玉雄(1975一)，男，高级工程师，主要从事空间辐射效应和卫星抗辐射加固技术研究。联系电话：(0931)458557

7、0．第3期薛玉雄等：激光模拟单粒子效应设备及试验研究进展综述径向呈Gauss分布睁71，其径迹宽度比低能离子大得多，与高能重离子相当。激光径迹宽度可以为2gm左右(这与聚焦的激光光斑有关)，低能离子径迹宽度约O．1"00．5gm，宇宙射线中的高能重离子(能量为GeV量级)其径迹宽度可达3gm，中心电荷浓度可达到1023cm～，比典型半导体器件掺杂区的载流子浓度大得多(如图2所示)。但就PN结收集电荷的过程而言，脉冲激光与重离子的机制和物理过程是相同的，其中漏斗效应和扩散电荷都在激光模拟实验中被证实。但收集电荷的量会受

8、到径迹结构的影响，因为具有相同LET值的激光脉冲和重离子相比径迹宽度大、中心电荷浓度低。重离子：库仑作用脉冲激光：光电效应图1重离子和脉冲激光模拟单粒子效应机理示意图Fig．1Schematicdiagramofheavyionandlasersingleevent图2重离子和脉冲激光径迹结构比对示意图Fig．2Comparisonofchar