直接数字式频率合成器单粒子效应实验研究

在直接数字式频率合成器(DDS)单粒子效应失效现象的基础上,研制了具备寄存器读写、功耗电流测试和输出效应波形捕获功能的DDS辐射效应在线测试系统,开展了DDS单粒子效应实验研究。结果表明,单粒子效应会导致DDS输出波形扰动,波形功能中断,功耗电流陡然增大。分析认为:DDS内部PLL模块发生单粒子瞬态和单粒子翻转,是引发波形扰动的主要原因;内置DAC的主要功能寄存器翻转引发了输出波形功能中断;电流增大是单粒子闭锁引起的。本项研究为国产DDS器件的加固和考核提供了一定的参考。     

静态随机存储器总剂量辐射损伤的在线与离线测试方法

以静态随机存储器为研究对象,对其在线和离线测试下的总剂量辐射损伤规律进行了研究,探寻了两种测试条件下总剂量损伤的差异并对造成差异的物理机制进行了分析和讨论,研究结果表明:由于静态随机存储器存在多种总剂量失效模式,相对于在线测试只能覆盖存储单元固定错误的一种失效模式,离线测试可覆盖多种功能失效模式;由于信号完整性对测试频率的限制,使得在线测试得到的动态功耗电流值要明显小于离线测试得到的动态功耗电流值;由于"印记效应"的存在,在线测试静态功耗电流小于离线测试中器件存储与辐照相反数据时的静态功耗电流值;在线无法测量的一些电参数,有可能先于在线可测参数而失效,这些研究结果对于静态随机存储器在星用辐射环境下的总剂量辐射损伤规律的研究和实验评估具有重要意义。     

总剂量辐射环境中的静态随机存储器功能失效模式研究

本文对静态随机存储器 (SRAM) 总剂量辐射引起的功能失效进行了六种不同测试图形下的测试. 利用不同测试图形覆盖的出错模式不同, 通过对比一定累积剂量下同一器件不同测试图形测试结果的差异, 以及对失效存储单元单独进行测试, 研究了总剂量辐照引起的SRAM器件功能失效模式. 研究表明: 器件的功能失效模式为数据保存错误 (Data retention fault) 且数据保存时间具有离散性, 引起数据保存错误的SRAM功能模块为存储单元. 通过对存储单元建立简化的等效电路图, 分析了造成存储单元数据保存错误以及保存时间离散性的原因, 并讨论了该失效模式对SRAM总剂量辐射功能测试方法的影响. 关键词： 静态随机存储器 功能失效 测试图形 数据保存错误     

大规模集成电路总剂量效应测试方法初探

提出了初步的大规模集成电路总剂量效应测试方法。在监测器件和电路功能参数的同时，监测器件功耗电流的变化情况，分析数据错误与器件功耗电流变化的关系及其总剂量效应机理。给出了大规模集成电路：静态随机存取存储器（SRAM）、电擦除电编程只读存储器（EEPROM）、闪速存储器（FLASH ROM）和微处理器（CPU）的⁶⁰Co γ总剂量效应实验的结果. 关键词： 测试方法 总剂量效应 大规模集成电路     

部分耗尽绝缘层附着硅静态随机存储器总剂量辐射损伤效应的研究

通过分析部分耗尽绝缘层附着硅互补金属氧化物半导体静态随机存储器(SRAM)在动态偏置条件下的电学参数和功能参数随累积剂量的变化规律, 研究了绝缘层附着硅(SOI)工艺SRAM器件在⁶⁰Co-γ射线辐照后的总剂量辐射损伤效应及器件敏感参数与功能错误数之间的相关性,为进一步深入研究大规模SOI集成电路的抗总剂量辐射加固及其辐射损伤评估提供了可能的途径和方法.实验结果表明:辐射引起的场氧和埋氧漏电是功耗电流增大的主要原因; 阈值电压漂移造成输出高电平下降、低电平微小上升和峰-峰值大幅降低,以及传输延迟增大; 当总剂量累积到一定程度,逻辑功能因关断功能的失效而出现突变错误; 传输延迟和输出高电平与逻辑功能错误之间存在一定相关性.     

浮栅ROM集成电路空间低剂量率辐射失效时间预估

利用60Coγ射线开展了浮栅ROM集成电路（AT29C256）总剂量辐照实验， 研究了集成 电路功耗电流和出错数在不同剂量率下的辐射响应；按照定义的失效标准和外推实验技术， 探索了集成电路参数失效与功能失效时间随辐射剂量率的变化关系；根据失效时间与辐射剂 量率的函数关系，预估了浮栅ROM集成电路AT29C256(9911)和AT29C256(9939)空间低剂量率辐射失效时间. 关键词： 低剂量率 辐射损伤 失效时间 总剂量     

氮化镓基高电子迁移率晶体管单粒子和总剂量效应的实验研究

利用重离子加速器和~(60)Co γ射线实验装置,开展了p型栅和共栅共源级联结构增强型氮化镓基高电子迁移率晶体管的单粒子效应和总剂量效应实验研究,给出了氮化镓器件单粒子效应安全工作区域、总剂量效应敏感参数以及辐射响应规律.实验发现, p型栅结构氮化镓器件具有较好的抗单粒子和总剂量辐射能力,其单粒子烧毁阈值大于37 MeV·cm~2/mg,抗总剂量效应水平高于1 Mrad (Si),而共栅共源级联结构氮化镓器件则对单粒子和总剂量辐照均很敏感,在线性能量传输值为22 MeV·cm~2/mg的重离子和累积总剂量为200 krad (Si)辐照时,器件的性能和功能出现异常.利用金相显微镜成像技术和聚焦离子束扫描技术分析氮化镓器件内部电路结构,揭示了共栅共源级联结构氮化镓器件发生单粒子烧毁现象和对总剂量效应敏感的原因.结果表明,单粒子效应诱发内部耗尽型氮化镓器件的栅肖特基势垒发生电子隧穿可能是共栅共源级联结构氮化镓器件发生源漏大电流的内在机制.同时发现,金属氧化物半导体场效应晶体管是导致共栅共源级联结构氮化镓器件对总剂量效应敏感的可能原因.     

Altera SRAM型FPGA器件总剂量辐射损伤及退火效应

为了考核FPGA器件空间使用时的抗辐射能力,对Altera SRAM型FPGA器件60Coγ辐照后的总剂量辐射损伤效应及退火效应进行了研究。通过不同模块实现相同的分频功能,比较了不同模块输出波形随总剂量、退火时间的变化关系;通过实现不同源程序所需的模块不同,比较了不同模块、不同源程序功耗电流随总剂量、退火时间的变化关系。分析了功耗电流在不同退火温度下恢复的原因,讨论了不同退火温度下功耗电流恢复幅度的差异。测量了输出端口的高低电平,分析了高低电平随总剂量、退火时间的变化关系。实验结果表明:氧化物正电荷的退火导致了不同退火温度下的功耗电流的恢复,并且浅能级亚稳态的氧化物正电荷的数量多于深能级氧化物正电荷的数量;随着退火时间的增加,功能恢复为突变过程,而功耗电流的恢复为渐变过程。     

串口型铁电存储器总剂量辐射损伤效应和退火特性

对一款商用串口I2C型铁电存储器进行了⁶⁰Coγ 辐射和退火实验, 研究了铁电存储器的总剂量效应和退火特性. 使用了超大规模集成电路测试系统测试了铁电存储器的DC, AC, 功能参数, 分析了辐射敏感参数在辐射和退火过程中的变化规律. 实验结果表明: 总剂量辐射在器件内产生大量氧化物陷阱电荷, 造成了铁电存储器外围控制电路MOS管阈值向负向漂移, 氧化物陷阱电荷引入附加电场使铁电薄膜受肖特基发射或空间电荷限制电流的作用, 产生辐射感生漏电流. 由于浅能级亚稳态的氧化物陷阱电荷数量上多于深能级氧化物陷阱电荷, 使得器件功能和辐射敏感参数在常温退火过程中快速恢复. 关键词： 铁电存储器 总剂量辐射 退火特性     

浮栅ROM器件的辐射效应实验研究

浮栅ROM器件的质子和中子辐射效应实验结果表明，其31.9MeV质子和14MeV中子的辐射效应不是单粒子效应，而是一种总剂量效应。浮栅ROM器件的^60Coγ辐照实验验证了这一点，器件出现错误有个注量或剂量阈值。动态监测和静态加电的器件都出现数据错误，且不能用编程器重新写入数据。然而不加电的器件在更高注量的质子或中子或更高剂量的γ辐照下未出现错误，器件刚开始出错时，错误数及错误地址都是不确定的。     

铁电存储器~(60)Co γ射线及电子总剂量效应研究

以型号为FM28 V100的铁电存储器为研究对象,进行了~(60)Co γ射线和2 Me V电子辐照实验.研究了铁电存储器不同工作方式、不同辐射源下的总剂量辐射损伤规律,用J-750测试部分直流参数和交流参数,分析了存储器敏感参数的变化规律.实验结果表明:对动态、静态加电、静态不加电三种工作方式下的结果进行比较.其中静态加电工作方式下产生的陷阱电荷最多,是存储器最恶劣的工作方式;器件的一些电参数随总剂量发生变化,在功能失效之前部分参数已经失效;在静态加电这种最恶劣的工作方式下,得到~(60)Co γ射线比电子造成更加严重的辐照损伤.     

55 nm硅-氧化硅-氮化硅-氧化硅-硅闪存单元的γ射线和X射线电离总剂量效应研究

基于~(60)Co-γ射线和10 keV X射线辐射源,系统地研究了55 nm硅-氧化硅-氮化硅-氧化硅-硅闪存单元的电离总剂量效应,并特别关注其电学特性退化的规律与物理机制.总剂量辐照引起闪存单元I-V特性曲线漂移、存储窗口变小和静态电流增大等电学特性的退化现象,并对其数据保持能力产生影响.编程态闪存单元的I_d-V_g曲线在辐照后显著负向漂移,而擦除态负向漂移幅度较小.对比两种射线辐照,擦除态的I_d-V_g曲线漂移方向不同.相比于擦除态,富含存储电子的编程态对总剂量辐照更为敏感;且相比于~(60)Co-γ射线,本文观测到了显著的X射线剂量增强效应.利用TCAD和Geant 4工具,从能带理论详细讨论了55 nm硅-氧化硅-氮化硅-氧化硅-硅闪存单元电离总剂量效应和损伤的物理机制,并模拟和深入分析了X射线的剂量增强效应.     

Direct measurement and analysis of total ionizing dose effect on 130 nm PD SOI SRAM cell static noise margin

In this work, the total ionizing dose(TID) effect on 130 nm partially depleted(PD) silicon-on-insulator(SOI) static random access memory(SRAM) cell stability is measured. The SRAM cell test structure allowing direct measurement of the static noise margin(SNM) is specifically designed and irradiated by gamma-ray. Both data sides' SNM of 130 nm PD SOI SRAM cell are decreased by TID, which is different from the conclusion obtained in old generation devices that one data side's SNM is decreased and the other data side's SNM is increased. Moreover, measurement of SNM under different supply voltages(Vdd) reveals that SNM is more sensitive to TID under lower Vdd. The impact of TID on SNM under data retention Vddshould be tested, because Vddof SRAM cell under data retention mode is lower than normal Vdd.The mechanism under the above results is analyzed by measurement of I–V characteristics of SRAM cell transistors.     

Dynamic modeling of total ionizing dose-induced threshold voltage shifts in MOS devices

The total ionizing dose (TID) effect is a key cause for the degradation/failure of semiconductor device performance under energetic-particle irradiation. We developed a dynamic model of mobile particles and defects by solving the rate equations and Poisson's equation simultaneously, to understand threshold voltage shifts induced by TID in silicon-based metal-oxide-semiconductor (MOS) devices. The calculated charged defect distribution and corresponding electric field under different TIDs are consistent with experiments. TID changes the electric field at the Si/SiO₂ interface by inducing the accumulation of oxide charged defects nearby, thus shifting the threshold voltage accordingly. With increasing TID, the oxide charged defects increase to saturation, and the electric field increases following the universal 2/3 power law. Through analyzing the influence of TID on the interfacial electric field by different factors, we recommend that the radiation-hardened performance of devices can be improved by choosing a thin oxide layer with high permittivity and under high gate voltages.     

Analysis of functional failure mode of commercial deep sub-micron SRAM induced by total dose irradiation

Functional failure mode of commercial deep sub-micron static random access memory(SRAM) induced by total dose irradiation is experimentally analyzed and verified by circuit simulation. We extensively characterize the functional failure mode of the device by testing its electrical parameters and function with test patterns covering different functional failure modes. Experimental results reveal that the functional failure mode of the device is a temporary function interruption caused by peripheral circuits being sensitive to the standby current rising. By including radiation-induced threshold shift and off-state leakage current in memory cell transistors, we simulate the influence of radiation on the functionality of the memory cell. Simulation results reveal that the memory cell is tolerant to irradiation due to its high stability, which agrees with our experimental result.     

基于环形栅和半环形栅N沟道金属氧化物半导体晶体管的总剂量辐射效应研究

在商用0.35 μm互补金属氧化物半导体工艺上制备了两种栅氧化层厚度(t_ox)的条形栅、环形栅和半环形栅N沟道金属氧化物半导体 (n-channel metal oxide semiconductor, 简记为NMOS) 晶体管, 并进行了2000 Gy(Si)的总剂量辐射效应实验. 实验结果显示, 栅氧厚度对阈值电压漂移的影响大于栅氧厚度的3次方. 对于t_ox为11 nm的低压NMOS晶体管, 通过环形栅或半环形栅的加固方式能将其抗总剂量辐射能力从300 Gy(Si)提高到2000 Gy(Si)以上; 而对于t_ox为26 nm的高压NMOS晶体管, 通过环栅或半环栅的加固方式, 则只能在低于1000 Gy(Si)的总剂量下, 一定程度地抑制截止漏电流的增加. 作为两种不同的版图加固方式, 环形栅和半环形栅对同一t_ox的NMOS器件加固效果类似, 环形栅的加固效果略优于半环形栅. 对于上述实验结果, 进行了理论分析并阐释了产生这些现象的原因. 关键词： 环形栅 半环形栅 总剂量 辐射效应     

Effects of Total-Ionizing-Dose Irradiation on Single-Event Burnout for Commercial Enhancement-Mode AlGaN/GaN High-Electron Mobility Transistors

We investigate the synergism effect of total ionizing dose(TID) on single-event burnout(SEB) for commercial enhancement-mode Al Ga N/Ga N high-electron mobility transistors. Our experimental results show that the slight degradation of devices caused by gamma rays can affect the stability of the devices during the impact of high energy particles. During heavy ion irradiation, the safe working values of drain voltage are significantly reduced for devices which have already been irradiated by ~(60)Co gamma rays before. This could be attributed to more charges trapped caused by ~(60)Co gamma rays, which make Ga N devices more vulnerable to SEB. Moreover, the electrical parameters of Ga N devices after ~(60)Co gamma and heavy-ion irradiations are presented, such as the output characteristic curve, effective threshold voltages, and leakage current of drain. These results demonstrate that the synergistic effect of TID on SEB for Ga N power devices does in fact exist.