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脈沖激光模擬瞬態劑量率效應的應用及特點
閱讀：585 發布時間：2021-4-16
摘要：在前面的推送中，“小抗”說到了脈沖激光是“SEE評估兵器”中的“柳葉刀”，主要是由于脈沖激光能夠模擬出與重離子在半導體器件輸出端相近的SEE電學特征，因而在SEE的試驗研究上能起到很大作用。那么脈沖激光除了能夠在SEE模擬上有很好的應用，在其他地方是否也能大顯身手呢？“小抗”結合我們前期開展的一些工作，來給大家介紹一下脈沖激光在模擬瞬態劑量率效應的應用及其特點。
1.背景介紹
提到瞬態劑量率效應，就不得不說γ射線，γ射線是原子核能級躍遷退激時釋放出的一種波長短于0.01埃(1埃=0.1納米)的電磁波，具有很強的穿透力，γ射線穿過物質時會與物質原子相互作用，發生光電效應，康普頓效應，電子對效應。當半導體器件和電路處于瞬間高劑量γ射線的輻射環境中時，會通過以上三種效應產生電子空穴對，從而形成光電流。(如圖1所示，當穿過的物質材料和γ射線的光子能量不同，其占據主導的效應也有所不同。)瞬態光電流又會在電路當中引發瞬態劑量率擾動、瞬態劑量率閂鎖、瞬態劑量率翻轉和瞬態劑量率燒毀等多種危害，這就是瞬態劑量率效應，又稱瞬時γ電離輻射效應。
模擬高劑量率的γ射線輻射環境，主要應用的模擬源有兩類：工作于光子模式的閃光X射線機(FXR)和工作于電子模式的直線加速器(LINAC)。上世紀八十年代開始，有國外專家提出了使用脈沖激光來進行模擬實驗，并從理論上論證了脈沖激光模擬的可行性，之后國內外逐漸開始嘗試用脈沖激光開展一些相關試驗研究，脈沖激光模擬成為一種有效的研究手段。
2.裝置介紹
激光模擬瞬態劑量率效應裝置上，由于瞬態劑量率效應是瞬間高劑量的γ射線與半導體材料發生相互作用產生瞬態光電流，從而引發后續的器件和電路損傷，首先要解決的是，要能夠模擬很高的劑量率，這就需要激光能量足夠高，同時需要考慮到瞬間高劑量的一個脈寬，因而選擇了一款能量達焦耳級的納秒激光器作為輸出源。另外我們還需要對光路進行設計，使激光光斑能夠*覆蓋芯片，從而盡可能的模擬出器件和電路處于γ射線的輻射環境產生的影響。我們通過對激光光束的調節和控制，通過測算獲得一個重要的參數—光功率密度，通過調節光功率密度來模擬不同劑量率的伽馬輻射環境。(圖2是激光模擬瞬態劑量率裝置實物圖。)
3.初步開展的工作
目前我們已經開展了激光模擬瞬態劑量率的瞬態、閂鎖和翻轉試驗，初步開展了一些激光模擬與閃光加速器的對比試驗。下圖分別是關于瞬態劑量率瞬態的激光模擬試驗和閃光加速器試驗的結果圖，從采集瞬態波形可以看出，兩者的脈寬幅值較為一致，同時瞬態波形的脈寬變化也呈現相同趨勢，激光模擬試驗的電磁干擾更少。
針對CMOS工藝器件我們開展了瞬態劑量率閂鎖試驗，分別開展激光模擬試驗和閃光加速器試驗，試驗結果如下表所示。
除此之外，我們還利用激光的優勢，開展了一些瞬態劑量率翻轉試驗和閂鎖電流試驗，并得到了一些有意思的試驗結果：翻轉數隨著光功率密度增大反而減小；閂鎖電流隨光功率密度增大，有一個先減小后恢復的過程。
翻轉數隨著光功率密度增大反而減小
閂鎖電流隨光功率密度增大
后續我們會利用激光試驗的優勢，開展更多相關的研究，同時也會進一步完善激光模擬試驗的相關試驗技術和試驗方法。
3.脈沖激光模擬的優勢
相對于閃光X射線機和直線加速器，脈沖激光模擬有以下三個方面優勢：
激光脈沖輻照參數可調
光強、脈寬、重頻和束斑等激光輻照參數可控且易于調節，更能準確地測得器件發生位翻轉、邏輯錯誤、閂鎖、瞬態電壓電流脈沖等器件響應特征，且具備很好的敏感區域定位優勢，既可以定位具體靈敏單元，又可以進行全芯片覆蓋的系統研究；使設計者在設計過程各個階段都能進行γ輻射環境的抗輻照能力評估，可加快加固集成電路研制過程，降低了設計風險。
試驗測試環境干擾少
避免了大量的寄生電磁閃爍現象，使得在線測試獲取劑量率效應特征更加方便可行。激光試驗幾乎無干擾，非常適用于準確的集成電路劑量率效應機理研究；無總劑量的累積效應影響，便于提取瞬時劑量率單一效應的電學試驗特征信息，更利于研究瞬時劑量率效應在集成電路中的產生機理。
試驗設計成本低
試驗時間短、效率高，可大量減少器件瞬態劑量率效應試驗對加速器試驗機時的占用。
小結
脈沖激光模擬手段有著激光脈沖輻照參數可調、試驗測試環境干擾少、試驗設計成本低天然優勢，在研究瞬態劑量率效應方面大有可為，試驗技術和試驗方法上還有些許不足，需要加強完善。“小抗”期待同行專家能多提寶貴意見，共同助力脈沖激光在瞬態劑量率效應上的應用與發展，希望脈沖激光模擬瞬態劑量率效應能有重大進展，也希望脈沖激光能運用在更多的地方，發揮出更大的作用。