为得到卫星搭载的高速跨阻运算放大器在星载环境中长时间工作后的性能变化情况, 对3款增益带宽积大于1GHz的高速跨阻放大器芯片关键特征参数的电离总剂量损伤特性及变化规律进行了试验研究。辐照试验在60Co γ射线源上采用高温加速评估的方法完成, 辐照到放大器芯片上的剂量率为0.3~0.5Gy(Si)/s。分析了放大器芯片输出偏置、输出噪声和带宽等关键电参数在辐照前后及高温(85℃±6℃)退火前后的特性, 讨论了引起电参数变化的机理。结果表明, 经过两轮150Gy(Si)剂量辐照及高温退火后, 放大器芯片的输出偏置和输出噪声水平无明显变化, 时域脉冲响应正常, -3dB带宽减小了3%左右。带宽为3款高速跨阻放大器芯片的辐射敏感参数, 其变化与电离辐射在SiO2/Si界面引起正电荷建立和界面态直接相关。辐照后的芯片仍然能够满足高带宽测试情况下的需求, 150Gy(Si)为电参数和功能合格的累积剂量。

开展了Nb∶SrTiO3阻变单元及1T1R复合结构的X射线总剂量效应实验研究。结果表明,Nb∶SrTiO3阻变单元在累积剂量达到10 Mrad(Si)时依然能够保持良好的阻变特性,高、低阻态未发生逻辑混乱。1T1R复合结构中的NMOS选通晶体管对电离辐射较为敏感,在栅氧化层中辐射感生氧化物陷阱电荷的作用下,NMOS器件阈值电压逐渐向负方向漂移,泄漏电流逐渐增加,进一步导致关态条件下(VG=0 V)对阻变存储单元的错误读写。通过选用抗辐射加固NMOS选通晶体管,可显著提升1T1R复合结构的抗总剂量能力。

CMOS图像传感器(CIS)工作在空间辐射或核辐射环境中遭受的辐照损伤问题备受关注。对CIS辐照损伤效应进行仿真模拟研究有助于深入揭示辐照损伤机理, 进而开展抗辐射加固设计, 有效提升CIS抗辐照能力。文章通过梳理国内外开展CIS辐照损伤效应仿真模拟研究方面的进展情况, 结合课题组已开展的电子元器件辐照效应仿真模拟和实验研究基础, 从CIS器件建模、时序驱动电路建模、辐照损伤效应建模、仿真模拟结果校验等方面探讨了CIS辐照损伤效应的仿真模拟方法, 分析总结了当前CIS辐照效应仿真模拟研究中亟待解决的关键技术问题。

电荷耦合器件(CCD)是用于空间光电系统可见光成像的图像传感器, 在空间应用环境下受辐射效应作用导致 CCD性能退化甚至失效。对于 CCD空间辐射效应的地面模拟试验研究, 辐照试验中 CCD采用合适的偏置条件是分析其空间辐射损伤的必要措施。由于 CCD对质子辐照导致的电离总剂量效应和位移损伤效应均非常敏感, 因此针对 CCD空间应用面临的电离总剂量效应和位移损伤效应威胁, 开展不同辐照偏置下 CCD的辐射效应及损伤机理研究。针对一款国产埋沟 CCD器件, 开展不同偏置条件下的 γ射线和质子辐照试验, 获得了 CCD的暗电流、光谱响应等辐射敏感参数的电离总剂量效应, 位移损伤效应退化规律以及辐照偏置对 CCD辐射效应的影响机制。研究表明, γ射线辐照下 CCD的偏置产生重要影响, 质子辐照下没有明显的偏置效应。根据 CCD结构和辐照后的退火试验结果, 对 CCD的辐射效应损伤机理进行分析。

开展不同温度下碳化硅(SiC)金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)总剂量效应研究。采用 60 Coγ射线对三款国内外生产的 SiC MOSFET器件进行总剂量辐照试验, 获得器件阈值电压、击穿电压、导通电阻、漏电流等参数分别在 25 ℃,100 ℃,175 ℃下的辐射损伤特性, 比较器件在不同温度下辐照后器件的退化程度。仿真实验结果表明, 不同器件的阈值电压、静态漏电流以及亚阈特性等辐射损伤变化都表现出对环境温度的敏感性, 而导通电阻、击穿电压等则相对不敏感。此外 SiC MOSFET总剂量辐射响应特性对环境温度的敏感性, 还随生产厂家的不同而呈现明显差异性。分析认为, 在其他条件相同情况下, 器件的阈值电压、静态漏电等参数的退化程度随着辐照温度的升高而降低, 主要是由于高温辐照时器件发生隧穿退火效应引起。

针对纳米金属-氧化物-半导体(MOS)器件中采用的高介电常数 HfO2栅介质, 开展电离总剂量效应对栅介质经时击穿特性影响的研究。以 HfO2栅介质 MOS电容为研究对象, 进行不同栅极偏置条件下 60 Co-γ射线的电离总剂量辐照试验, 对比辐照前后 MOS电容的电流-电压、电容-电压以及经时击穿特性的测试结果。结果显示, 不同的辐照偏置条件下, MOS电容的损伤特性不同。正偏辐照下, 低栅压下的栅电流显著增大, 电容电压特性的斜率降低; 零偏辐照下, 正向高栅压时栅电流和电容均显著增大; 负偏辐照下, 栅电流均有增大, 正向高栅压下电容增大, 且电容斜率降低。3种偏置下, 电容的经时击穿电压均显著减小。该研究为纳米 MOS器件在辐射环境下的长期可靠性研究提供了参考。

基于第六代 650 V碳化硅结型肖特基二极管 (SiC JBS Diode)和第三代 900 V碳化硅场效应晶体管 (SiC MOSFET), 开展 SiC功率器件的单粒子效应、总剂量效应和位移损伤效应研究。 20~80 MeV质子单粒子效应实验中, SiC功率器件发生单粒子烧毁 (SEB)时伴随着波浪形脉冲电流的产生, 辐照后 SEB器件的击穿特性完全丧失。 SiC功率器件发生 SEB时的累积质子注量随偏置电压的增大而减小。利用计算机辅助设计工具 (TCAD)开展 SiC MOSFET的单粒子效应仿真, 结果表明, 重离子从源极入射器件时, 具有更短的 SEB发生时间和更低的 SEB阈值电压。栅 -源拐角和衬底 -外延层交界处为 SiC MOSFET的 SEB敏感区域, 强电场强度和高电流密度的同时存在导致敏感区域产生过高的晶格温度。 SiC MOSFET在栅压偏置 (UGS =3 V,UDS =0 V)下开展钴源总剂量效应实验, 相比于漏压偏置 (UGS =0 V,UDS =300 V)和零压偏置 (UGS =UDS =0 V), 出现更严重的电学性能退化。利用中带电压法分析发现, 栅极偏置下氧化层内的垂直电场提升了陷阱电荷的生成率, 加剧了阈值电压的退化。中子位移损伤会导致 SiC JBS二极管的正向电流和反向电流减小。在漏极偏置下进行中子位移损伤效应实验, SiC MOSFET的电学性能退化最严重。该研究为空间用 SiC器件的辐射效应机理及抗辐射加固研究提供了一定的参考和支撑。