干貨分享 | 關于空間輻射位移效應的考核

位移效應是空間輻射對半導體元器件產(chǎn)生的諸多影響中的一種，造成的永久性損傷會嚴重影響半導體元器件的可靠性和壽命。其原理類似子彈穿透物體，而對于輻射粒子（不管是帶電的離子或者中性的中子）入射到半導體材料內都有機會與半導體晶格原子發(fā)生“碰撞”，雖然在空曠的晶格點陣空間里，這種微小粒子能撞到晶格點陣上原子的概率非常小，但是一旦發(fā)生了就會產(chǎn)生級聯(lián)效應。其結果是受到撞擊的原子離開晶格點陣位置，成為“間隙原子”，而在原位置留下“空位”，影響半導體元器件的正常運行，且難以修復。

與電離損傷主要影響電路中的氧化物和界面不同，位移損傷會影響半導體的點陣的完整性，“空位”在半導體中是無法移動，成為一個陷阱伺機俘獲其他原子（復合），或俘獲電子（電子陷阱），尤其是對載流子的俘獲會直接降低載流子遷移效率（數(shù)量和速度），從而降低半導體傳輸特性。這種效應對依賴于少子傳輸?shù)陌雽w器件的影響尤為明顯，如光電子器件（太陽電池，光電探測器），普遍采用依賴少子傳輸PN結結構，位移效應會造成光電效率的下降。而針對諸如雙極型器件，位移效應也會通過對基極影響從而改變雙極型器件的電特性。

試驗標準

目前在元器件位移效應試驗標準主要有GJB548方法1017.1，該標準只規(guī)定了以1MeV等效中子作為輻照源，但標準描述了該試驗的目的是考核以非電離能量損失（NIEL Non-Ionizing Energy Loss）作為衡量不同能量中子的等效性。非電離能損描述為輻射粒子傳遞給晶格散射的能量，單位與LET相同都為MeV cm2/g。下圖分別展示了中子，質子和電子在Si中的非電離能損，可見質子的NIEL值最高，電子最小。

試驗源選擇

基于對不同粒子在Si中NIEL差值，GJB548中推薦使用1MeV等效中子。目前中子產(chǎn)生基于核反應，其能譜范圍較寬，因此標準中給出了等效的概念。目前可采用均值在1MeV中子和14MeV中子開展試驗。二者等效注量之間的換算可采用如下公式，其中Φ(x)為中子能量為x的注量。

另一種試驗源可以選擇質子源，1MeV質子在硅中產(chǎn)生NIEL是1MeV中子的40倍。但是采用質子進行位移試驗需要關注兩個問題：

1）質子不同于中子，因其帶有電荷其絕大多數(shù)能量損失是用于電離損耗，質子的電離能損是非電離能損的上千倍，質子在硅材料中是有射程的概念的，而對于中性的中子，其穿透能力不受任何限制。因此在選擇質子進行位移損傷試驗時，需要考慮質子是否能夠穿透器件產(chǎn)生均勻的損傷，推薦使用40 MeV-70 MeV質子，質子與中子之間的注量等效可參考中子之間的等效計算方法。

2）質子產(chǎn)生總劑量效應同樣不可忽略，因此在進行質子位移試驗考核時，對器件不要時間偏置，盡量減小電荷的俘獲和界面態(tài)的形成，同時盡量保證質子累積注量產(chǎn)生電離能損不要超過器件的耐電離效應能力。

關于試驗后的測試

無論是采用中子還是質子輻照進行位移損傷試驗，因位移效應產(chǎn)生材料的高能態(tài)，其本身會產(chǎn)生輻射后的感生放射性，這種放射性會對人體產(chǎn)生傷害，因此輻射試驗后，人員不能立即接觸試驗品，需要根據(jù)經(jīng)驗進行長時間放置，待感生放射符合安全閾值時，方能進行輻照后的測試。

廣電計量半導體服務優(yōu)勢

• 工業(yè)和信息化部“面向集成電路、芯片產(chǎn)業(yè)的公共服務平臺”。
• 工業(yè)和信息化部“面向制造業(yè)的傳感器等關鍵元器件創(chuàng)新成果產(chǎn)業(yè)化公共服務平臺”。
• 國家發(fā)展和改革委員會“導航產(chǎn)品板級組件質量檢測公共服務平臺”。
• 廣東省工業(yè)和信息化廳“汽車芯片檢測公共服務平臺”。江蘇省發(fā)展和改革委員會“第三代半導體器件性能測試與材料分析工程研究中心”。
• 上海市科學技術委員會“大規(guī)模集成電路分析測試平臺”。
• 在集成電路及SiC領域是技術能力最全面、知名度最高的第三方檢測機構之一，已完成MCU、AI芯片、安全芯片等上百個型號的芯片驗證，并支持完成多款型號芯片的工程化和量產(chǎn)。在車規(guī)領域擁有AEC-Q及AQG324全套服務能力，獲得了近50家車廠的認可，出具近400份AEC-Q及AQG324報告，助力100多款車規(guī)元器件量產(chǎn)。
• 在衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)領域，獲委任為空間環(huán)境地面模擬裝置用戶委員會委員單位，建設了行業(yè)領先的射頻高精度集成電路檢測能力，致力成為北斗導航芯片工程化量產(chǎn)測試的領航者。