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導(dǎo)語：輻射環(huán)境下的半導(dǎo)體失效問題在航天、核能、影像醫(yī)療、高海拔戶外設(shè)備等領(lǐng)域尤為突出。NASA統(tǒng)計(jì)顯示，衛(wèi)星電子系統(tǒng)故障中約40%與輻射效應(yīng)相關(guān)。本文將淺析輻射導(dǎo)致半導(dǎo)體失效的物理機(jī)制，并提供防范方法。

 

一、輻射的來源和影響

1.1  輻射的來源

一般電子產(chǎn)品遇到的輻射失效問題來自于天然輻射，包括由太陽(yáng)和宇宙的影響造成的因素造成。星系宇宙射線（GCR）含有高能粒子，如來自于太空的α粒子、重離子和質(zhì)子，而太陽(yáng)主要發(fā)射電子、質(zhì)子和重離子。中子的體積非常小，能夠輕易穿過大氣層，甚至能穿透整個(gè)地球，而且由于其不帶電荷，能逃過地球的輻射帶陷阱，因此到達(dá)地面和半導(dǎo)體產(chǎn)生作用的高能粒子以中子為主。

不同的環(huán)境對(duì)輻射的產(chǎn)生影響也是不同的，輻射通量隨著海拔高度的上升成指數(shù)增加，在海拔330km時(shí)，是太空電子應(yīng)用的所在地，海拔50km是軍用飛機(jī)所能達(dá)到的高度，這里中子和其他粒子的強(qiáng)度都比較高，隨著高度繼續(xù)降低，輻射的通量隨著降低，是商業(yè)飛機(jī)的應(yīng)用高度。

圖1 某外資電力企業(yè)6.5kV IGBT模塊5SNA0600G650100T =25℃時(shí)的宇宙射線失效率

地球上的中子來源分為天然來源和人造來源。天然來源是來自宇宙射線與大氣中的氧和氮的相互作用，中子是太陽(yáng)耀斑的副產(chǎn)品。人造來源包括核武器、核反應(yīng)堆、醫(yī)療設(shè)備等。

1.2  宇宙射線的影響

一個(gè)高能的初級(jí)宇宙射線粒子通常不直接到達(dá)地球表面，而是和大氣層中的粒子碰撞，產(chǎn)生各種各樣的二級(jí)高能粒子。這些高能粒子就是導(dǎo)致器件輻射失效的”隱形殺手“。一小部分高能粒子穿過半導(dǎo)體器件和硅原子核發(fā)生碰撞，產(chǎn)生背散射離子，這些離子會(huì)再次產(chǎn)生一個(gè)局部電荷濃度很高的等離子體。在阻斷模式下的半導(dǎo)體器件空間電荷區(qū)中，這些載流子分離產(chǎn)生電流脈沖。如果電場(chǎng)超過一定的閾值（這取決于初級(jí)等離子體的產(chǎn)生），碰撞電離產(chǎn)生的載流子就會(huì)高于因擴(kuò)散機(jī)制流出等離子體區(qū)的載流子。這種放電以所謂“流光”（streamer）的方式高速穿過器件，類似于氣體放電。在數(shù)百皮秒內(nèi)，器件局部被自由載流子淹沒。這樣就產(chǎn)生了一個(gè)局部電流通道。最終，這個(gè)半導(dǎo)體器件就被非常高密度的局部電流破壞了。

圖2　直徑小于50μm 的4. 5kV 二極管經(jīng)過宇宙射線破壞后的失效圖片，照片從陰極側(cè)拍攝

左側(cè)： 小針孔； 右側(cè)： 金屬泡中的熔化區(qū)

上圖2就是宇宙射線引起的器件失效。在失效器件的一個(gè)非常狹窄區(qū)域出現(xiàn)了一個(gè)針眼大小的從陰極到陽(yáng)極的熔化通孔。左側(cè)，能看到一個(gè)針孔。右側(cè)能夠看到金屬氣泡，并且在金屬下面隱藏了一個(gè)針孔。

 

二、輻射敏感半導(dǎo)體器件的分類與特性

半導(dǎo)體器件對(duì)輻射的敏感性主要由其結(jié)構(gòu)特性和材料特性決定。根據(jù)失效機(jī)理的不同，主要可分為以下幾類：

2.1 半導(dǎo)體有源器件

這類器件是輻射失效的“重災(zāi)區(qū)”，核心是晶體管（含分立器件和集成電路中的單元），具體類型及敏感原因如下：

MOS器件

MOS器件（金屬- 氧化物 - 半導(dǎo)體）對(duì)總電離劑量效應(yīng)（TID）最為敏感，特別是柵氧化層厚度小于10nm的現(xiàn)代CMOS器件。輻射產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)在SiO?中遷移時(shí)，空穴被陷阱捕獲形成固定正電荷，導(dǎo)致閾值電壓（Vth）漂移（N 溝道 MOS 閾值升高，P 溝道降低），漏電流增大；極端情況下柵氧化層擊穿，器件永久損壞。

雙極型晶體管

雙極晶體管（BJT）對(duì)位移損傷(DD)和（尤其是）總電離效應(yīng)（TID）都敏感?；鶇^(qū)、集電區(qū)的耗盡層會(huì)因輻射積累電離電荷，導(dǎo)致電流增益（β）下降、反向漏電流增大，最終器件無法放大信號(hào)或完全截止。

雙化合物半導(dǎo)體器件

化合物半導(dǎo)體器件（如GaAs、GaN）通常用于高頻、大功率場(chǎng)景（如雷達(dá)、衛(wèi)星通信），對(duì)位移損傷（DD） 敏感。輻射粒子（如質(zhì)子、重離子）會(huì)破壞Ga-As 晶格，產(chǎn)生空位、間隙原子等缺陷，導(dǎo)致載流子遷移率下降、飽和電流降低，器件功率密度和效率衰減。

2.2  光電器件

光電器件依賴“光電轉(zhuǎn)換” 或 “電光轉(zhuǎn)換”，輻射會(huì)直接干擾電荷生成與傳輸，主要包括：

光電二極管/ 光電探測(cè)器

輻射產(chǎn)生的“暗電流” 顯著增加（晶格缺陷導(dǎo)致載流子非輻射復(fù)合減少，漏電流增大），導(dǎo)致探測(cè)靈敏度下降、信噪比惡化，甚至出現(xiàn) “死區(qū)”（完全無法響應(yīng)光信號(hào)）。

電荷耦合器件（CCD）/ CMOS圖像傳感器（CIS）

輻射會(huì)在像素單元中產(chǎn)生“陷阱電荷”，導(dǎo)致圖像出現(xiàn)壞點(diǎn)、亮線（電荷無法正常轉(zhuǎn)移），或整體噪聲升高（暗電流疊加）；高劑量下像素單元永久失效，圖像出現(xiàn)“黑洞”。

發(fā)光二極管（LED）/ 激光二極管（LD）

位移損傷會(huì)破壞發(fā)光層的量子阱結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致非輻射復(fù)合中心增加，發(fā)光效率（光通量/ 電流）下降、波長(zhǎng)漂移，極端情況下完全停止發(fā)光。

2.3  存儲(chǔ)器器件

存儲(chǔ)器對(duì)單粒子效應(yīng)（SEE）極為敏感。因需長(zhǎng)期穩(wěn)定存儲(chǔ)電荷或邏輯狀態(tài)，輻射對(duì)其“數(shù)據(jù)完整性” 影響最直接，也是用戶重點(diǎn)關(guān)注的類型（將另文單獨(dú)詳述），主要包括 SRAM、DRAM、Flash 等。

 

三、輻射失效的物理機(jī)制與表征

輻射的失效效應(yīng)由輻射類型決定，核心可分為三類：總電離劑量效應(yīng)（TID）、位移損傷效應(yīng)（DD）、單粒子效應(yīng)（SEE），三者作用機(jī)制不同，影響也存在差異。其特性對(duì)比如下：

輻射效應(yīng)類型	作用粒子	作用對(duì)象	失效機(jī)理	典型影響
總電離劑量(TID)	γ射線X射線	絕緣體（如MOS 柵氧化層、BJT 氧化層）、耗盡層	高能光子（如γ 射線、X 射線）或帶電粒子（如電子）與材料作用，產(chǎn)生大量電子 - 空穴對(duì)；其中電子因遷移率高易逃逸，正電荷（空穴）被絕緣體陷阱捕獲，形成空間電荷積累	MOS 閾值電壓漂移、漏電流增大； BJT 電流增益下降；電容器介電損耗增加； 長(zhǎng)期累積會(huì)導(dǎo)致器件永久失效（如柵氧化層擊穿）
位移損傷(DD)	質(zhì)子中子	半導(dǎo)體晶格（如Si、GaAs）	高能重粒子（如質(zhì)子、中子、重離子）撞擊晶格原子，使其脫離原有位置（形成“空位”），被撞擊的原子則形成 “間隙原子”，二者合稱 “弗倫克爾缺陷”；缺陷會(huì)成為載流子復(fù)合中心或“散射中心”	載流子遷移率、壽命下降； BJT/MOS 電流傳輸能力減弱； 光電器件量子效率降低； 存儲(chǔ)器存儲(chǔ)電荷保持能力惡化
單粒子效應(yīng)(SEE)	重離子α粒子	器件敏感區(qū)（如MOS 溝道、存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元、CMOS 邏輯門	單個(gè)高能粒子（如宇宙射線重離子、太陽(yáng)耀斑質(zhì)子）穿過器件敏感區(qū)時(shí)，在耗盡層中產(chǎn)生瞬時(shí)電子- 空穴對(duì)（“電荷團(tuán)”），被電場(chǎng)快速收集，形成瞬時(shí)電流脈沖	分為“非破壞性” 和 “破壞性”： - 非破壞性：?jiǎn)瘟Ｗ臃D(zhuǎn)（SEU，數(shù)據(jù) 0/1 反轉(zhuǎn)）、單粒子擾動(dòng)（SEP，邏輯暫時(shí)錯(cuò)誤）； - 破壞性：?jiǎn)瘟Ｗ渔i定（SEL，電流急劇增大燒毀器件）、單粒子燒毀（SEB，PN 結(jié)擊穿燒毀）

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四、 輻射失效的防范措施

防范需圍繞“減少輻射作用”“增強(qiáng)器件抗輻射能力”“降低失效影響” 三個(gè)核心目標(biāo)，從材料、器件設(shè)計(jì)、電路、系統(tǒng)四個(gè)層面展開：

4.1  材料與工藝層面

采用抗輻射材料

- 半導(dǎo)體襯底：使用絕緣體上硅（SOI）工藝，減少體硅中的載流子產(chǎn)生（SEU 敏感區(qū)縮小），同時(shí)隔絕襯底漏電（TID 影響降低），是宇航級(jí)器件的主流選擇；

- 氧化層：MOS 柵氧化層采用高純度SiO?或氮氧化硅（SiON），減少陷阱電荷密度，降低TID 導(dǎo)致的閾值電壓漂移；

- 屏蔽材料：器件封裝內(nèi)添加薄鉛/ 鋁層，阻擋低能粒子（如β 射線、低能質(zhì)子），減少外部輻射入射。

優(yōu)化制造工藝

- 減少器件尺寸偏差（如Flash 浮柵厚度均勻性），避免局部電場(chǎng)集中（降低 SEB 風(fēng)險(xiǎn)）；

- 對(duì)半導(dǎo)體晶格進(jìn)行“退火處理”，提前消除部分缺陷，降低位移損傷的疊加效應(yīng)。

4.2  器件設(shè)計(jì)層面

存儲(chǔ)單元加固

- SRAM：采用三晶體管（3T）或四晶體管（4T）單元（替代傳統(tǒng)6T 單元），增加雙穩(wěn)態(tài)的穩(wěn)定性，提升 SEU 閾值；

- DRAM：增大存儲(chǔ)電容容量（如從 25fF 增至 50fF），延長(zhǎng)電荷保持時(shí)間，降低 TID 導(dǎo)致的刷新頻率依賴；

- Flash：增厚浮柵周圍的氧化層（如隧道氧化層從 5nm 增至 8nm），減少輻射電荷隧穿。

晶體管結(jié)構(gòu)優(yōu)化

- MOSFET：采用 “環(huán)形柵” 或 “雙柵” 結(jié)構(gòu)，分散柵氧化層的電荷積累，避免局部擊穿；

- BJT：在基區(qū)添加 “場(chǎng)限環(huán)”，抑制輻射導(dǎo)致的漏電流擴(kuò)展，維持電流增益穩(wěn)定。

4.3  電路應(yīng)用層面

- 糾錯(cuò)碼（ECC）：SRAM/NAND Flash 中集成 ECC 電路，可檢測(cè)并糾正 1-2 比特錯(cuò)誤（如漢明碼、BCH 碼），避免 SEU 導(dǎo)致的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤；

- 刷新優(yōu)化：DRAM 中增加 “動(dòng)態(tài)刷新頻率” 模塊，根據(jù)輻射劑量（通過傳感器監(jiān)測(cè)）自動(dòng)提高刷新頻率，補(bǔ)償電容漏電；

- 單粒子鎖定（SEL）防護(hù)：CMOS 電路中串聯(lián) “電流限制器” 或 “快速熔斷管”，當(dāng) SEL 發(fā)生時(shí)（電流驟增）迅速切斷電源，避免器件燒毀。

4.4 系統(tǒng)與選型層面

器件選型

根據(jù)輻射環(huán)境選擇對(duì)應(yīng)等級(jí)的器件，常見等級(jí)如下：

器件等級(jí)	典型抗TID 能力	應(yīng)用場(chǎng)景
工業(yè)級(jí)	10-50 krad(Si)	地面設(shè)備、汽車電子
軍用級(jí)	100-300 krad(Si)	雷達(dá)、導(dǎo)彈制導(dǎo)
宇航級(jí)	500 krad (Si) 以上	衛(wèi)星、空間站、深空探測(cè)

系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)

- 數(shù)據(jù)冗余：關(guān)鍵數(shù)據(jù)多副本存儲(chǔ)（如3 份副本，多數(shù)表決），避免單副本 SEU 失效；

- 電路冗余：采用“三模冗余（TMR）”，三個(gè)相同電路并行工作，輸出多數(shù)結(jié)果，抵消單個(gè)電路的 SEE 錯(cuò)誤；

- 屏蔽設(shè)計(jì)：系統(tǒng)外殼采用多層屏蔽結(jié)構(gòu)（如內(nèi)層鉛+ 外層鋁），阻擋高能粒子（如 γ 射線、重離子），降低內(nèi)部器件的輻射劑量；例如宇航設(shè)備的屏蔽層可將輻射劑量降低 1-2 個(gè)數(shù)量級(jí)。

 

總結(jié)：輻射對(duì)電子元器件的失效影響，以半導(dǎo)體器件（尤其是存儲(chǔ)器、晶體管） 最為顯著，核心機(jī)理是“電離電荷積累”“晶格缺陷” 和 “單粒子瞬時(shí)電流”；存儲(chǔ)器的失效以 “數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn) / 丟失” 為主（SRAM 的 SEU、DRAM 的 TID+SEU、Flash 的 TID + 位移損傷）。防范需從 “材料 - 器件 - 電路 - 系統(tǒng)” 全鏈條入手，結(jié)合應(yīng)用場(chǎng)景的輻射強(qiáng)度，選擇抗輻射加固器件并搭配主動(dòng)防護(hù)策略，才能最大程度降低失效風(fēng)險(xiǎn)。