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探究同位素效应和掺杂效应对单晶硅材料抗辐射能力的影响

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探究同位素效应和掺杂效应对单晶硅材料抗辐射能力的影响

作者：张跃辉吉林大学

学位级别：硕士

硅作为最早发展的半导体材料,由于其成熟的制作加工工艺以及良好的性能,一直被广泛的应用于集成电路、太阳能电池、航天等领域之中。随着科学技术的发展,对器件的在使用寿命以及工作性能的要求越来越高,这就需要对极端环境下器件的辐射... 详细信息

硅作为最早发展的半导体材料,由于其成熟的制作加工工艺以及良好的性能,一直被广泛的应用于集成电路、太阳能电池、航天等领域之中。随着科学技术的发展,对器件的在使用寿命以及工作性能的要求越来越高,这就需要对极端环境下器件的辐射损伤原理与抗辐射加固技术进行探索。目前虽然已经有许多研究者进行了辐射损伤原理以及抗辐射加固技术的相关研究,但这些抗辐射加固技术均有着各自的缺陷以及辐射损伤原理还存在着一定的探索空间。在此基础上,本文利用分子动力学模拟以及第一性原理方法分别讨论了同位素效应和掺杂效应(IVA族元素)从产生的缺陷数量、稳定性、电学特性对单晶硅材料的抗辐射能力的影响。以下为本论文的具体工作内容:1.利用分子动力学模拟软件LAMMPS,计算了在10 ke V和20 ke V质子辐照的能量下两种同位素体系内部产生的缺陷数量的差异。研究结果发现,高质量的Si同位素体系产生峰值缺陷对和稳定缺陷对数目相较于Si都有一定程度减少,在10 ke V时稳定缺陷对相差14%,在20 ke V时相差11%,这证明了高质量同位素Si相较于Si有更好的抗辐射能力。同时结合从头计算分子动力学方法,获得在300K温度下同位素体系的晶格常数与结合能大小差异。研究结果表明,Si的晶格常数比Si的略高;受原子核中中子数的不同影响Si的结合能要大于Si。我们还发现在室温下的高质量同位素能带宽度相较于低质量同位素能带宽度变窄,因此Si中的电子和空穴更容易复合,导电能力变强。因此若在单晶硅体系中加入高质量同位素有助于增强体系的稳定能力,器件稳定性会更好,延长在轨使用寿命。2.利用第一性原理软件Vasp讨论了当单晶硅体系中掺入IVA族元素(C、Ge、Sn、Pb)时体系的晶格结构、稳定性、电学特性的差异情况。研究发现,由于原子半径差异导致在Ge、Sn、Pb掺杂晶格常数随掺杂原子个数线性增加,体系发生膨胀效应,且晶格常数增大的程度为Pb>Sn>Ge,C掺杂体系晶格常数随掺杂原子个数线性减小。其次,受原子半径影响,Ge原子比Sn原子以及C原子和Pb原子更容易取代Si原子,缺陷形成能随掺杂浓度的增加趋势呈现出Pb>C>Sn>Ge,意味着高浓度掺杂体系更不容易被掺杂元素取代,在工艺上更不容易被合成。同时在不同掺杂情况下的声子谱没有虚频,证明我们的模拟体系满足力学稳定性。在电学特性方面,我们发现在IVA族元素掺杂后,价带顶位置基本不变,导带底位置逐渐向费米能级方向移动,同时从态密度图中发现掺杂的C、Ge、Sn、Pb原子的s和p轨道贡献也在逐渐增强,导致掺杂体系能带收缩,并随着掺杂浓度的提高带隙持续减小;在掺杂浓度增加过程中部分导体带隙特性发生变化,C掺杂下材料从间接带隙变成具有类金属性质,Ge掺杂下一直为间接带隙半导体,Sn、Pb掺杂下体系从间接带隙变成直接带隙;从能带条数以及电荷差分密度整体来看,不同的第四主族掺杂元素对体系中都可以增加材料中的电子跃迁情况,最终四种元素掺杂对材料电学性能产生效果为C>Pb>Sn>Ge。

关键词：单晶硅抗辐射加固技术分子动力学模拟第一性原理同位素效应掺杂效应点缺陷稳定性电学特性

CMOS图像传感器单粒子效应及加固技术研究进展

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核技术 2020年第1期43卷 48-56页

作者：蔡毓龙李豫东文林郭旗中国科学院新疆理化技术研究所中国科学院特殊环境功能材料与器件重点实验室乌鲁木齐830011 新疆电子信息材料与器件重点实验室乌鲁木齐830011 中国科学院大学北京100049

互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)图像传感器(CMOS Image Sensor,CIS)在空间应用时会受到单个粒子辐照影响,这通常会导致CIS采集图像出现异常,严重时会导致器件功能失效。本文从不同粒子的角度:重... 详细信息

互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)图像传感器(CMOS Image Sensor,CIS)在空间应用时会受到单个粒子辐照影响,这通常会导致CIS采集图像出现异常,严重时会导致器件功能失效。本文从不同粒子的角度:重离子、质子、电子和中子,从CIS容易发生的单粒子效应类型:单粒子瞬态(Single Event Transient,SET)、单粒子翻转(Single Event Upset,SEU)、单粒子闩锁(Single Event Latchup,SEL)、单粒子功能中断(Single Event Functional Interrupt,SEFI)等方面综述了CIS单粒子效应研究进展。简要介绍了CIS单粒子效应加固技术研究进展。分析总结了目前CIS单粒子效应及加固技术中亟待解决的问题,为今后深入开展相关研究提供理论参考。

关键词： CMOS图像传感器单粒子效应抗辐射加固技术空间辐射

面向航空环境的多时钟单粒子翻转故障注入方法

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电子与信息学报 2014年第6期36卷 1504-1508页

作者：薛茜男李振姜承翔王鹏田毅中国民航大学天津市民用航空器适航与维修重点实验室天津300300 中国民航大学安全科学与工程学院天津300300

随着新型电子器件越来越多地被机载航电设备所采用,单粒子翻转(Single Event Upset,SEU)故障已经成为影响航空飞行安全的重大隐患。首先,针对由于单粒子翻转故障的随机性,该文对不同时刻发生的单粒子翻转故障引入了多时钟控制,构建了SE... 详细信息

随着新型电子器件越来越多地被机载航电设备所采用,单粒子翻转(Single Event Upset,SEU)故障已经成为影响航空飞行安全的重大隐患。首先,针对由于单粒子翻转故障的随机性,该文对不同时刻发生的单粒子翻转故障引入了多时钟控制,构建了SEU故障注入测试系统。然后模拟真实情况下单粒子效应引发的多时间点故障,研究了单粒子效应对基于FPGA构成的时序电路的影响,并在线统计了被测模块的失效数据和失效率。实验结果表明,对于基于FPGA构建容错电路,采用多时钟沿三模冗余(Triple Modular Redundancy,TMR)加固技术可比传统TMR技术提高约1.86倍的抗SEU性能;该多时钟SEU故障注入测试系统可以快速、准确、低成本地实现单粒子翻转故障测试,从而验证了SEU加固技术的有效性。

关键词：机载电子器件单粒子翻转(SEU) 故障注入抗辐射加固技术 FPGA

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MRAM的辐射效应分析及加固方法简述

航天器环境工程 2021年第1期38卷 106-114页

作者：施辉张海良宋思德曹利超王印权刘国柱顾祥吴建伟洪根深李明华贺琪中国电子科技集团公司第五十八研究所无锡214072 北京科技大学材料科学与工程学院北京100083

回顾从首款商用磁随机存取存储器(MRAM)芯片面世以来国际上对MRAM芯片辐射效应的研究;总结MRAM总剂量电离效应和单粒子效应辐照试验研究结果,以及辐射效应导致MRAM读写错误的物理机制;分析辐射效应对磁性隧道结结构和性能的影响,并指出M... 详细信息

回顾从首款商用磁随机存取存储器(MRAM)芯片面世以来国际上对MRAM芯片辐射效应的研究;总结MRAM总剂量电离效应和单粒子效应辐照试验研究结果,以及辐射效应导致MRAM读写错误的物理机制;分析辐射效应对磁性隧道结结构和性能的影响,并指出MRAM应当针对外围电路、存储单元晶体管和磁性隧道结等处不同类型辐射效应进行对应的抗辐射加固;最后从材料和工艺方面简要介绍MRAM加固方法。

关键词：磁随机存取存储器磁性隧道结辐射效应抗辐射加固技术

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新型微系统的辐射效应与抗辐射加固技术

中国科学：物理学、力学、天文学 2024年第3期54卷 1-18页

作者：贺朝会陈伟韩建伟刘曦李宁陈睿罗尹虹姚志斌李培丁李利吴道伟西安交通大学核科学与技术学院西安710049 西北核技术研究院西安710024 中国科学院国家空间科学中心北京100190 西安微电子技术研究所西安710065

本文介绍了微系统的发展历程、现状和趋势,着重介绍了新型微系统:系统级芯片和系统级封装,分析了新型微系统面临的科学问题,总结了新型微系统辐射效应研究现状,给出了新型微系统在辐射环境中应用需要研究的问题:辐射效应规律和机理、辐... 详细信息

本文介绍了微系统的发展历程、现状和趋势,着重介绍了新型微系统:系统级芯片和系统级封装,分析了新型微系统面临的科学问题,总结了新型微系统辐射效应研究现状,给出了新型微系统在辐射环境中应用需要研究的问题:辐射效应规律和机理、辐照效应实验测试方法、抗辐射加固技术,期望加大财力、物力和人力的投入力度,通过重大项目研究解决微系统在辐射环境应用中遇到的关键科学问题,提高国产微系统的可靠性,促进和保障国产微系统的国防应用.

关键词：微系统系统级芯片系统级封装辐射效应抗辐射加固技术

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一种新型低成本三节点翻转容错的锁存器设计

电子测试 2021年第15期32卷 15-17,20页

作者：徐辉周乐安徽理工大学计算机科学与工程学院安徽淮南232001

基于抗辐射加固技术,提出了一种新颖的低功耗的三模冗余三节点翻转容错锁存器,锁存器由三个单节点翻转自恢复模块组成,每个模块包含四个互锁的C单元,使用了时钟门控技术和快速通路,避免在透明期形成的电流竞争,从而降低了功耗和延迟。... 详细信息

基于抗辐射加固技术,提出了一种新颖的低功耗的三模冗余三节点翻转容错锁存器,锁存器由三个单节点翻转自恢复模块组成,每个模块包含四个互锁的C单元,使用了时钟门控技术和快速通路,避免在透明期形成的电流竞争,从而降低了功耗和延迟。实验结果表明,与现有的加固锁存器相比,所提出的锁存器对于高阻态不敏感,该锁存器在牺牲20.65%面积开销的代价下,延迟平均下降了31.83%,功耗平均下降了42.41%,PDP下降了77.62%。

关键词：抗辐射加固技术三模冗余三节点翻转时钟门控高阻态

CMOS图像传感器总剂量辐照效应及加固技术研究进展

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半导体光电 2017年第1期38卷 1-7页

作者：王祖军刘静薛院院何宝平姚志斌盛江坤西北核技术研究所强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室西安710024 湘潭大学材料科学与工程学院湖南湘潭411105

CMOS图像传感器(CIS)在空间辐射或核辐射环境中应用时,均会受到总剂量辐照损伤的影响,严重时甚至导致器件功能失效。文章从微米、超深亚微米到纳米尺度的不同CIS生产工艺、从3TPD(Photodiode)到4TPPD(Pinned Photodiode)的不同CIS像元... 详细信息

CMOS图像传感器(CIS)在空间辐射或核辐射环境中应用时,均会受到总剂量辐照损伤的影响,严重时甚至导致器件功能失效。文章从微米、超深亚微米到纳米尺度的不同CIS生产工艺、从3TPD(Photodiode)到4TPPD(Pinned Photodiode)的不同CIS像元结构、从局部氧化物隔离技术(LOCOS)到浅槽隔离(STI)的不同CIS隔离氧化层等方面,综述了CIS总剂量辐照效应研究进展。从CIS器件工艺结构、工作模式和读出电路加固设计等方面简要介绍了CIS抗辐射加固技术研究进展。分析总结了目前CIS总剂量辐照效应及加固技术研究中亟待解决的关键技术问题,为今后深入开展相关研究提供理论指导。

关键词： CMOS图像传感器总剂量效应辐照损伤抗辐射加固技术

CMOS集成电路总剂量效应加固技术研究现状

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核科学与技术 2024年第2期12卷 118-128页

作者：梁泽宇庞洪超李兴隆骆志平中国原子能科学研究院核安全与环境工程技术研究所北京

在核设施运行、乏燃料后处理、可控核聚变、航天卫星与太空探索、核军工、γ辐照站等存在强辐射的场景下,高能粒子、射线会与器件中的半导体材料相互作用产生辐射效应,对信号的完整性和精度产生较大影响。本文首先介绍了总剂量效应(TID... 详细信息

在核设施运行、乏燃料后处理、可控核聚变、航天卫星与太空探索、核军工、γ辐照站等存在强辐射的场景下,高能粒子、射线会与器件中的半导体材料相互作用产生辐射效应,对信号的完整性和精度产生较大影响。本文首先介绍了总剂量效应(TID)的作用机制,及其在MOS器件中的主要影响:总剂量效应会导致MOS管阈值电压漂移、跨导下降、载流子迁移率降低和电流额外泄漏等问题。其次,按照时间顺序依次阐述了近代以来总剂量效应在半导体器件特别是是CMOS器件中的具体影响,尤其对浅槽隔离氧化物(Shallow Trench Isolation, STI)受到总剂量效应的影响做了着重描述。最后,分析了在电路级中的总剂量效应,以及目前流行的几种抗辐射加固技术。

关键词： CMOS集成电路总剂量效应抗辐射加固技术

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星载计算机抗辐射加固技术

航天控制 2003年第1期21卷 10-15,21页

作者：华更新王国良郭树玲北京控制工程研究所北京100080

为掌握星载计算机系统级抗辐射加固技术 ,针对星载计算机的抗辐射薄弱环节 ,研究抗辐射加固措施 ,完成了 386ex三机变结构原理样机。重点研究了抗单粒子效应多机容错技术和存储器校验技术 ,抗总剂量效应屏蔽材料和屏蔽工艺。最后研究了... 详细信息

为掌握星载计算机系统级抗辐射加固技术 ,针对星载计算机的抗辐射薄弱环节 ,研究抗辐射加固措施 ,完成了 386ex三机变结构原理样机。重点研究了抗单粒子效应多机容错技术和存储器校验技术 ,抗总剂量效应屏蔽材料和屏蔽工艺。最后研究了实时多任务操作系统及其抗辐射问题。

关键词：星载计算机抗辐射加固技术单粒子效应总剂量效应