宇航微电子器件的单粒子效应研究及意义·侯明东刘杰孙友梅尹经敏中国科学院近代物理研究所甘肃兰州7 3 0 0 0 0银河宇宙射线、太阳宇宙射线、地球俘获带所构成的空间辐射环境对航天器微电子器件能造成各种辐射损伤效应，严重地威胁着航天器的安全宇宙射线中的高能重离子在半导体器件中所产生高密度的等离子体，在P ．N 结局部电场的作用下，可以形成一个电脉冲如果被收集的电荷大于电路状态翻转所需要的临界电荷，电路状态将发生翻转，从而改变在记忆单元中所存储的逻辑信息，导致软错误的发生这一现象是由单个荷能粒子沉积的能量所引起的，因而称为单粒子效应随着微电子器件集成度的增加，近年来单粒子效应变得更加显著，其损伤的模式也日趋复杂单粒子效应包含的类型除最初的单粒子翻转之外，又陆续发现了单粒子栓锁、功率M O S F E T 烧毁、M N O S 栅极击穿、双极电路中的高电流异常、多位翻转、瞬时脉冲信号等等现象不同、机制各异的效应航天实践表明：单粒子效应是航天器工作异常和故障的重要诱因，国内外多颗卫星遭受单粒子效应的危害，其中包括很多军事卫星，造成巨大的经济损失和政治影响高空大气中也能发生单粒子效应，对导弹的制导系统构成严重威胁，因而研究单粒子效应的规律及寻找预防措施对国防和经济建设具有重要意义。
加速器地面模拟是研究单粒子效应的一个经济而有效的方法，它在机理研究以及器件筛选、防护措验证等方面具有无可比拟的优点绝大部分单粒子效应研究工作需要在加速器上完成，重离子加速器模拟已成为进行单粒子效应研究的重要手段兰州重离子加速器( H I R F L ) 是我国唯一的一台高能重离子加速器，它能提供能量从几百M e V 至几个G e V 的从C 到P b 的多种离子，有宽广的L E T 范围和长的射程，特别适合于单粒子效应的研究自1 9 9 3年开始，近代物理研究所紧密结合我国航天事业的需求，先后与航天工业总公司5 1 0 所、5 0 9 所、8 0 9 所、7 7 1 所，以及中科院空间中心等单位合作，在院“八五”和“九五”重点项目，及其总装备部等多个横向基金项目的资助下，利用H I R F L 提供的重离子束，开展了大量的研究工作，并获得了一系列重要的结果在兰州重离子加速装置上建立了国内第一台与加速器相连的大型单粒子效应地面模拟实验装置，采用了多项先进技术，具备多种功能，成功解决了弱束流非拦截式剂量实时监测，G e V 高能离子的能量测量，以及束流均匀度测量等一系列技术难题对于促进我国单粒子效应的研究发挥了重要的作用。
完成了“风云一号”卫星计算机主板单粒子效应地面复现实验，测量到H a r r i s8 0 C 8 6 ，I m d8 0 8 6C P U和I D T7 1 6 4S R A M 等芯片重离子轰击下单粒子翻转( S E U ) 、多位翻转( M B U ) 和单粒子栓锁( S E L ) 截面，为卫星可能出现的失效原因提供了分析依据完成了“实践四号”卫星的单粒子事件静态监测器和动态监测器发射前最后的地面单粒子效应考核，获得了星用I D T7 1 6 4S R A M 发生翻转的次数和部分物理地址研究了I n t e l8 0 8 6C P U 7 1 6 4R A M ，2 8 C 6 4E 2 P R O M 和2 7 6 4E P R O M 等芯片单粒子翻转敏感性与旋转轴及旋转角度的关系，给出倾角入射条件下对截面进行角度的方法，并且测量到单粒子翻转敏感性对于测试图形的依赖关系，发现不同厂家生产的S R A M s 器件有很大差别完成了“实践五号”卫星有效载荷，即五套单粒子效应监测装置的地面实验，测试了C P U 、S R A M 、F l a s hE P R O M 、E 2 P R O M 等1 2 0 个器件的翻转截面，验证了屏蔽防护措施、双C P U 冗余措施、R s 编码纠错、软件自纠正和自动解锁等防护对策的有效性，在国内首次实现了器件不开帽试验以及整机检测，在实验的规模和方法上都有新的突破。
’本项目由国家自然科学基金资助( 项目编号：1 0 5 7 5 1 2 5 )研究了入射角度对I D T7 1 2 5 6S R A M 的单粒子翻转截面和多位翻转比例的影响研究表明：在大角度掠射轰击下单粒子翻转截面的增大包括了多位翻转的贡献；离子在器件敏感层中沉积的能量及其横向分布是影响多位翻转的两个重要参数，I D T7 1 2 5 6S R A M 发生三位以上多位翻转的比例随着离子入射角度的增大而增加经过多年的努力，我们在单粒子效应研究方面已经取得了很大的进展，建立了具有国际水平的地面模拟实验装置，积累了丰富的实验经验，奠定了良好的理论基础电子能损引起的原子位移’侯明东刘杰孙友梅尹经敏中国科学院近代物理研究所甘肃兰州7 3 0 0 0 0荷能离子与固体相互作用时将所携带的能量部分地或全部传递给靶物质，从而引起靶原子的位移但这一过程因入射离子的能量不同而有截然不同物理机制对于低能的入射离子( 一1 0 k e V ／u ) 核能损是主导的，入射离子与靶核之间发生弹性碰撞而损失能量然而对于高能的入射离子( 一1 M e V ／u 以上) 则电子能损是主导的，入射离子并不把能量直接交付给靶核，而是将能量交付给核外电子，引起靶原子的激发和电离。
实验表明，这两个过程均可产生原子的位移，从而改变辐照样品的微观结构和形貌对于核能损过程已研究多年，并且已有相当深入的了解核能损通过制造空位和间隙子而产生碰撞级联，导致局部的和长程的原子运动，诸如表面溅射、结构的和化学的无序、离子束混合等而电子能损过程通过在入射离子路径中形成连续的或不连续的径迹也能引起原子重排和运动但径迹形成的机制仍不完全清楚，特别是在金属靶中电子激发所引起的原子重排的机制是一个令人困惑的难题，关键问题是交付给电子系统能量如何转换成原子运动的传统的观念认为在金属中电子激发应该是很快地消散在导带的连续状态之中，它既不是空间局域的，也不能保持到大得足以产生原子位移1 9 8 2 年，S ．K l a u m f l n z e r 等人在研究非晶态合金P d 8 0 S i 2 0 的低温辐射效应时偶然地发现了离子束引起的塑性形变现象这是在晶态合金中前所未知的一种新的没有预料到的各向异性的生长随着辐照剂量的增加，垂直于离子束方向的样品线度持续地生长，而平行于离子束方向的样品线度收缩，样品的质量密度基本保持不变这是一个宏观可见的各向异性的生长这个效应不能发生在具有晶态结构的材料中，但发生于所有的非晶材料中。
塑性形变是已发现的电子能损效应的第一个现象它动摇了在金属中电子能损不能引起原子位移的传统观念，从而引发了对电子能损效应广泛而深人的理论和实验研究，并且发现了一系列新的现象和获得了重要的结果实验表明快重离子慢化过程中的电子能损在金属靶中也能引起原子的位移在不同材料中和不同辐照条件下原子位移显现了多种表现形态，这些表现形态主要有缺陷的产生和退火、相变、非晶化潜径迹的形成以及非晶态合金中的各向异性的塑性形变等许多现象是先前所未知的，需要建立新的理论描述和模型电子能损效应的研究不仅具有重要的理论意义，而且具有广泛的应用前景本文简要回顾电子能损效应研究的历史，评述已取得的研究成果和最新的进展，对电子能损效应的微观机制和模型作了讨论’本项目由国家自然科学基金资助( 项目编号：1 0 5 7 5 1 2 5 ) 。