辐照离子注量率对单粒子效应影响研究及微通道板离子探测器研制
发布时间：2020-05-14 16:23
【摘要】：空间辐射引起的单粒子效应是航天器故障的重要诱因之一,严重地威胁着在轨航天器的运行安全。近年来单粒子效应的危害逐渐受到国家的高度重视,现代航天技术发展要求采用抗辐射加固电子元器件。单粒子效应地面加速器模拟实验是检验加固电子元器件抗辐射性能的重要手段,而离子注量是模拟实验中的重要参数之一。实验中弱束流离子注量探测的准确性直接影响数据质量,关系到预估元器件在轨翻转率的可靠性。以往的大量实验发现,单粒子效应实验结果很大程度上依赖于入射离子的注量率,但缺乏注量率对单粒子效应影响全面、系统的研究。本文通过对注量率在单粒子效应中的影响研究,获得地面加速器单粒子实验结果对辐照注量率的依赖关系,为地面模拟实验数据解释提供指导。同时,针对单粒子效应实验弱束流的特点,探索了低注量率离子探测的新方法。本文利用兰州重离子加速器提供的多种高能重离子,开展离子辐照注量率对单粒子效应的影响研究。实验使用的离子种类为:Ni、Kr和Bi,覆盖LET值范围10.1-99.8 MeV?cm~2/mg,实验注量率变化范围10-10~5 ions/(cm~2?s)。测试器件采用多种工艺形式、多种加固方式,工艺节点覆盖0.5μm 65 nm。分别研究了束流参数如注量率变化范围、入射离子LET值、入射离子倾斜角度等对注量率在单粒子效应中的影响,不同器件结构如不同加固方式在高注量率下的失效模式,不同注量率条件对传统错误率预估方法产生的影响等。同时结合软件模拟计算,深入分析注量率效应的内在物理过程和机制。使用Geant4、TCAD等软件模拟仿真重离子在器件内的电荷激发、收集过程,获得激发电荷在测试器件内灵敏区空间分布和时间分布,对注量率效应的实验结果进行解释。得到的主要研究结果如下:1)实验获得了影响单粒子效应的注量率变化范围。在不同的注量率范围内,注量率对器件的单粒子效应的影响不一样,注量率变化范围对单粒子效应敏感性造成影响。由实验表明,当离子辐照注量率大于1×10~3 ions/(cm~2?s)时,器件的注量率效应开始显现,对于大多数器件而言,单粒子翻转截面开始随注量率的增加而增大。当注量率小于1×10~3 ions/(cm~2?s)时,单粒子效应对注量率不敏感。由理论计算分析得知,注量率效应起因为两个或多个离子引起的关联效应。只有当注量率足够大时,两个或多个离子出现关联性的概率才开始增大,注量率效应才开始显现。2)注量率效应与待测器件结构相关。不同的器件结构具有不一样的注量率效应敏感性。一般而言,加固器件的单粒子翻转截面远低于同工艺未加固器件,但随着注量率增大,加固器件的单粒子翻转截面变化要比未加固器件大。对于体硅未加固SRAM而言,其多位翻转的翻转位组成占比随注量率变化而发生改变,高于3位的多位翻转开始增多。结合理论模拟仿真结果,分析了不同结构器件的单粒子效应特点,及其在高注量率下单粒子效应失效模式。3)入射离子LET值大小影响注量率效应。入射离子LET值对单粒子效应注量率敏感性有显著的影响。实验测试结果显示当入射离子LET值增大时,器件的注量率效应敏感性增大。由GEANT4理论模拟计算实验所用的离子参数,得到离子入射后的激发电荷分布。随着入射离子LET增大,其激发电荷分布范围更广,激发电荷密度更大,注量率效应变得更显著。本文还研究了微通道板离子注量探测器,微通道板探测器是现代新兴的一种注量探测器,具有时间响应快、电子增益大、探测噪声小等优点。研究了微通道板单粒子效应实验注量探测器的制备问题,研究了探测器的结构构造,以及不同构造结构对探测器性能的影响。测试了微通道板探测器的性能,得到探测器的信号幅度为250 mV,信号宽度为25 ns,该信号指标满足了探测器设计要求,可工作在1 MHz计数率下。结合理论模拟对探测器的探测性能进行理论分析,对探测器探测机制进行了理论摸索。
【图文】：
当高能粒子入射到半导体器件时嘶嵊肫骷牧戏⑸嗷プ饔枚鹗芰，
本文编号：2663622
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