總劑量效應產(chǎn)生過(guò)程

        空間帶電粒子射線(xiàn)與物質(zhì)的交互作用主要體現在誘發(fā)電離效應上。輻射粒子將能量用于激發(fā)半導體材料中的中性原子，使其形成電子-空穴對。然而，這種物質(zhì)狀態(tài)是不穩定的，一般情況下會(huì )發(fā)生電子-空穴的中和。但對于工作的半導體而言，其外加偏置會(huì )導致半導體內存在電場(chǎng)。在電場(chǎng)的作用下，電子-空穴對發(fā)生分離。在半導體材料或絕緣材料中，電子和空穴的遷移速度是不同的。電子的遷移速度較快，而空穴的遷移速度較慢。這種差異在半導體元器件中普遍存在的鈍化層和柵氧層中更為明顯。

 出自：集成電路總劑量加固技術(shù)的研究進(jìn)展，《太赫茲科學(xué)與電子信息學(xué)報》第15卷，第一期

        在電場(chǎng)作用下，運動(dòng)慢的空穴攜帶者正電荷努力地通過(guò)“跳躍"在柵氧中遷移，但是當接近柵氧和半導體界面時(shí)，界面附近存在的大量的“陷阱"，絕大多數遷移過(guò)來(lái)的正電荷（空穴）會(huì )落入陷阱形成氧化物內的俘獲電荷（正電荷層，位于SiO2/Si的界面附近）。而還有一部分空穴與界面處的Si-H結合，釋放處H+，H+在電場(chǎng)作用下進(jìn)一步向界面遷移，與Si-H中的H發(fā)生反應，形成H2，同時(shí)在原位上留下懸鍵，進(jìn)而形成具有正電特性的界面態(tài)。

對MOS器件和雙極性器件的影響

        在SiO2/Si的界面附近的俘獲電荷會(huì )形成正電荷層，電荷層產(chǎn)生電場(chǎng)，從而改變器件偏置狀態(tài)。這種效應對于MOS結構器件，會(huì )造成溝道閾值電壓偏移，會(huì )導致P溝道開(kāi)啟電壓增加，降低N溝道的開(kāi)啟電壓，同時(shí)還會(huì )造成漏結雪崩擊穿電壓變化，如P溝道降低，N溝道增加。而界面態(tài)具有較強的載流子限制效應，會(huì )造成載流子遷移率降低，這種效應尤其對雙極性結構器件強烈依賴(lài)載流子遷移工作的器件性能降低，如增益降低，漏電流增加，而對于MOS器件，界面態(tài)會(huì )造成增益和跨導的降低。

俘獲電荷和界面態(tài)之間的耦合

        從總劑量效應形成過(guò)程可見(jiàn)，俘獲電荷層和界面態(tài)是獨立產(chǎn)生，但又相互聯(lián)系。俘獲電荷層主要是空穴的遷移，而界面態(tài)主要與釋放的H+遷移有關(guān)，而在Si材料中空穴遷移率是H+遷移的4倍。所以一旦俘獲電荷很快形成，則會(huì )產(chǎn)生一個(gè)明顯的電勢壘，會(huì )阻擋H+遷移，從而影響界面態(tài)的形成。反之如果俘獲電荷層沒(méi)有及時(shí)形成，H+遷移不會(huì )收到明顯的阻擋，這將造成界面態(tài)的大量形成。

 出自：P型金屬氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管低劑量率輻射損傷增強效應模型研究，《物理學(xué)報》 60卷第6期 2011年

        高劑量率輻照下，H+受到俘獲電荷層電場(chǎng)的阻擋，無(wú)法有效參與界面態(tài)的形成：

 低劑量率輻照下，H+無(wú)電荷層阻擋，會(huì )產(chǎn)生更多的界面態(tài)

出自：P型金屬氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管低劑量率輻射損傷增強效應模型研究，《物理學(xué)報》 60卷第6期 2011年

        上述的這些耦合機理會(huì )造成我們選用不同的劑量率（單位時(shí)間內高能粒子或射線(xiàn)傳遞給半導體材料內的能量，單位rad(Si)/s）進(jìn)行實(shí)驗室，會(huì )得到截然不同的退化現象，其中 MOS 器件表現為時(shí)間相關(guān)效應（Time Dependence Effects，TDE，也稱(chēng)時(shí)變效應），雙極器件表現為低劑量率損傷增強效應（Enhanced Low Dose Rate Sensitity，ELDRS）。

        在高劑量率下，單位時(shí)間內產(chǎn)生的空穴更多，會(huì )很快形成俘獲電荷層，從而導致界面態(tài)形成受阻，而在低劑量率下，界面態(tài)更容易形成，這造成性能對界面態(tài)敏感的器件會(huì )在低劑量率輻照下性能退化要更大，稱(chēng)這種效應為低劑量率增強效應（ELDRS- Enhanced Low-Dose-Rate Sensitivity）。

        而低劑量增強效應在MOS中主要表現為時(shí)間效果效應，即TDE，主要表現為MOS器件在進(jìn)行高劑量輻射后，通過(guò)退火（在偏置狀態(tài)下自然放置或高溫放置），其性能會(huì )隨時(shí)間發(fā)生繼續退化，效果可退化至低劑量率輻照的退化程度，產(chǎn)生這種時(shí)間相關(guān)效應的主要取決于結構與工藝，這會(huì )造成輻照感生的氧化物電荷、界面態(tài)的生長(cháng)和退火間的競爭機制不同。

對元器件空間輻射總劑量效應的考核

        綜上所示，空間帶電粒子輻射對元器件產(chǎn)生的累積電離損傷主要源于俘獲電荷和界面態(tài)。因此在考核元器件對耐總劑量效應的能力時(shí)要充分考核這兩方面的影響。

1）輻照源的選擇

        在具體實(shí)驗中，需要采用一種簡(jiǎn)單易得的主要產(chǎn)生電離效應的輻射束來(lái)對電離效應進(jìn)行考核。天然放射性物質(zhì)會(huì )以γ射線(xiàn)（光子），而光子對物質(zhì)主要產(chǎn)生電離效應，且γ射線(xiàn)穿透能力強，Si材料對其幾乎透明，因此不需擔心射程問(wèn)題。所以工程實(shí)踐中，采用60Co產(chǎn)生的γ射線(xiàn)進(jìn)行元器件的輻射總劑量效應的考核。

衡量輻照射線(xiàn)的總劑量能力統一采用輻照粒子或射線(xiàn)在硅中的能量沉積能力，即等效拉德硅- rad(Si)，其含義為單位質(zhì)量Si吸收射線(xiàn)或粒子的電離能量，1 rad(Si)=0.01 J/kg（焦耳每千克）。這是總劑量的單位，除了rad(Si)以外還可用Gy（戈瑞）單位，1 Gy=100 rad。同時(shí)將單位時(shí)間內的電離吸收采用劑量率，一般為rad(Si)/s。

2）輻射劑量和劑量率的選擇

        總劑量效應本身是一種累積效應，所以一般按照元器件在實(shí)際服役時(shí)間內所能接收到并吸收的累積電離能力來(lái)確定考核的指標。基于空間環(huán)境輻照環(huán)境的觀(guān)測，并通過(guò)粒子與物質(zhì)交互作用仿真，如Monte-Carlo仿真，可獲得不同服役時(shí)間和服役環(huán)境下元器件所接受的電離能量。如航天型號在軌運行時(shí)間一般可分為長(cháng)期、中期、短期三類(lèi)，考慮太陽(yáng)活動(dòng)和安全裕度，一般采用如下要求。所以一般采用100krad(Si)對中期服役航天元器件進(jìn)行考核。

 而在GJB548里，給出了抗輻射保證等級（RHA）來(lái)定義器件對電離輻射的耐受能力。

         由于存在低劑量率增強效應(ELDRS)，所以在選擇劑量率時(shí)盡量貼近真實(shí)服役環(huán)境的劑量率。如下圖所示，真實(shí)空間電離環(huán)境劑量率一般在10-3 rad(Si)/s以下，而地面采用的輻照源一般都高于這個(gè)劑量率。因此對于那些存在低劑量率增強效應的元器件，抗輻射總劑量效應的考核難點(diǎn)主要就是如何充分評價(jià)低劑量率的惡劣影響，防止保守評價(jià)。

引用：向宏文.航天器空間輻射環(huán)境及效應地面模擬試驗. 中國宇航學(xué)會(huì )飛行器總體專(zhuān)業(yè)委員會(huì )2004年學(xué)術(shù)研討會(huì ) 中國宇航學(xué)會(huì ), 2005

        同時(shí)在低劑量率下，器件內產(chǎn)生的俘獲電荷也會(huì )同時(shí)發(fā)生恢復（退火效應），這導致高劑量率輻照時(shí)，有可能產(chǎn)生過(guò)量的俘獲電荷，而造成過(guò)評價(jià)。