飛秒脈沖激光單粒子效應(yīng)評(píng)估技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

安 恒 李得天 楊生勝 王 鷁 曹 洲 文 軒 王 俊 張晨光 銀 鴻

（蘭州空間技術(shù)物理研究所真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 蘭州 730000）

單粒子效應(yīng)（Single Event Effects，SEE）是單個(gè) 高能粒子與微電子器件相互作用所產(chǎn)生的輻射效應(yīng)，如：衛(wèi)星在軌運(yùn)行時(shí)電子器件及設(shè)備會(huì)遭受輻射環(huán)境危害引起單粒子效應(yīng)，影響器件的功能。隨著我國(guó)航天事業(yè)的飛速發(fā)展，導(dǎo)航衛(wèi)星、高分辨率對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星、新型偵察衛(wèi)星、新型通信衛(wèi)星等軍事需求日益增多，空間任務(wù)的要求也日益復(fù)雜，系統(tǒng)功能不斷拓展，與此同時(shí)還需滿(mǎn)足小型化和低功耗的要求，這些需求都對(duì)核心器件的功能集成度要求迅速提升，需要更強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，同時(shí)對(duì)功耗、速度等性能要求也不斷提高。

但是，隨著納米集成電路工藝尺寸的不斷減小，相較于大尺寸的器件，其單粒子效應(yīng)愈加趨向敏感。這一方面由于集成電路特征尺寸的減少、電源電壓的降低，造成器件單粒子翻轉(zhuǎn)閾值電壓同步降低；另一方面，由于工作頻率的升高，使得器件對(duì)于造成瞬時(shí)故障的各種噪聲干擾變得更加敏感［1?3］。其次，隨著工藝尺度的縮減，晶體管尺寸和間距越來(lái)越小，單個(gè)入射粒子可能作用于多個(gè)單元，納米器件電荷共享帶來(lái)的多位翻轉(zhuǎn)及單粒子多瞬態(tài)等新效應(yīng)，需要在地面單粒子輻照實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法中進(jìn)行研究考慮；而且，隨工藝尺度的縮減，器件尺寸和間距越來(lái)越小，芯片集成度極大提高，這些特點(diǎn)對(duì)納米集成電路的單粒子效應(yīng)新機(jī)理對(duì)地面模擬實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法提出了新的研究需求。

目前，評(píng)估單粒子危害的主要手段是重離子加速器，但是隨著器件工藝尺寸的不斷減小，在利用重離子對(duì)不同工藝及不同特征尺寸制作的復(fù)雜集成電路的單粒子效應(yīng)加固性能進(jìn)行評(píng)估時(shí)，離子束幾乎全部覆蓋器件或集成電路芯片，導(dǎo)致發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)的位置和時(shí)間幾乎不能確定，給衛(wèi)星電子系統(tǒng)或設(shè)備在設(shè)計(jì)階段提供更為有效的加固措施帶來(lái)一定困難，而且實(shí)驗(yàn)成本高，粒子線(xiàn)性能量轉(zhuǎn)移（Linear Energy Transfer，LET）值等參數(shù)調(diào)節(jié)較困難，改變粒子種類(lèi)和能量需要花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間，此外還會(huì)對(duì)被測(cè)試器件造成一定的輻射損傷等。另外，在器件加固設(shè)計(jì)中，關(guān)鍵問(wèn)題是器件內(nèi)部單粒子效應(yīng)敏感性特征的獲取和減緩設(shè)計(jì)措施的驗(yàn)證，而寬束重離子實(shí)驗(yàn)難以實(shí)現(xiàn)有效評(píng)估，因此，迫切需要開(kāi)發(fā)一種高效、無(wú)輻射危害的新的實(shí)驗(yàn)評(píng)估方法作為重離子試驗(yàn)的補(bǔ)充手段，為器件抗輻射性能評(píng)估提供有力數(shù)據(jù)支持。

脈沖激光作為一種簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、安全可靠、無(wú)輻射損傷的實(shí)驗(yàn)手段，在模擬單粒子效應(yīng)方面有廣闊應(yīng)用前景，也是最近十幾年除了重離子加速器以外國(guó)內(nèi)外采用的主流手段，它具有敏感區(qū)域準(zhǔn)確定位等優(yōu)點(diǎn)，已逐步發(fā)展為重離子單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的有利補(bǔ)充，在電子器件單粒子效應(yīng)加固設(shè)計(jì)性能評(píng)估中得到了廣泛應(yīng)用。

脈沖激光單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)技術(shù)相比于重離子實(shí)驗(yàn)技術(shù)具有準(zhǔn)確定位敏感區(qū)域、無(wú)輻射危害等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于識(shí)別和表征集成電路的敏感節(jié)點(diǎn)［4?7］。這主要得益于脈沖激光單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)方法的主要優(yōu)勢(shì)在于脈沖激光的定性表征能力，尤其是在沒(méi)有輻射危害的情況下能夠定位和表征集成電路中的單粒子效應(yīng)敏感節(jié)點(diǎn)，可以提供重離子實(shí)驗(yàn)無(wú)法提供的關(guān)于單粒子效應(yīng)的時(shí)間和空間信息。在脈沖激光單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)技術(shù)中，最廣泛應(yīng)用的兩種技術(shù)是單光子吸收（Single-photon Absorption，SPA）和雙光子吸收（Two-photon Absorption，TPA）。當(dāng)單個(gè)光子能量大于半導(dǎo)體材料能帶隙時(shí)以單光子吸收為主，而單個(gè)光子的能量小于半導(dǎo)體材料能帶隙時(shí)以雙光子吸收為主。脈沖激光單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)技術(shù)發(fā)展之初，由于受到半導(dǎo)體工藝、激光產(chǎn)生及聚焦等技術(shù)條件的限制，主要以單光子的線(xiàn)性吸收為主研究分析脈沖激光單粒子效應(yīng)機(jī)理以及模擬實(shí)驗(yàn)方法。

近年來(lái)，基于雙光子吸收誘發(fā)產(chǎn)生載流子的飛秒脈沖激光單粒子效應(yīng)模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)［8?10］，成為研究微納電子器件單粒子效應(yīng)脈沖激光模擬實(shí)驗(yàn)更有價(jià)值的一種方法，這一方面是由于器件工藝尺寸不斷減小，集成度越來(lái)越高，同時(shí)器件的運(yùn)行速率越來(lái)越快；另一方面主要?dú)w因于脈沖激光穿過(guò)晶圓時(shí)TPA過(guò)程的獨(dú)特性能，即就是將激光直接注入到復(fù)雜電路的指定位置而避開(kāi)金屬層界面的影響。這種實(shí)驗(yàn)方法可以進(jìn)行大量有意義的定性判斷和認(rèn)識(shí)，如：敏感節(jié)點(diǎn)的識(shí)別、輻射加固電路設(shè)計(jì)的驗(yàn)證、基本機(jī)理研究、模型驗(yàn)證和校準(zhǔn)、空間任務(wù)用電子器件的篩選以及在復(fù)雜電路中注入故障以分析錯(cuò)誤傳播特性等，可以在電子器件抗輻射評(píng)估及加固設(shè)計(jì)驗(yàn)證中提供關(guān)于單粒子效應(yīng)的空時(shí)等重要信息。

1 飛秒脈沖激光與物質(zhì)相互作用

TPA SEE 實(shí)驗(yàn)中，載流子密度的準(zhǔn)確計(jì)算是定量分析TPA誘發(fā)單粒子效應(yīng)的基礎(chǔ)。這不僅能夠預(yù)示分析TPA SEE 實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)參數(shù)改變帶來(lái)的影響，而且還能解釋不同非線(xiàn)性光學(xué)現(xiàn)象對(duì)載流子產(chǎn)生的作用。在模擬分析中，TPA中的自由載流子吸收、自由載流子折射等非線(xiàn)性現(xiàn)象都會(huì)影響載流子密度（CarrierDensity，CD）。通常有兩個(gè)等式描述載流子密度的產(chǎn)生過(guò)程。第一個(gè)是描述CD或者載流子數(shù)N（r，z，t）的時(shí)間變化過(guò)程［2?5］。

式中：? 是普朗克常數(shù)；c 是光速；λ是激光波長(zhǎng)；α是SPA 系數(shù)；β2是TPA 系數(shù)。式（1）右邊第一項(xiàng)表示SPA 激勵(lì)過(guò)程；第二項(xiàng)表示TPA 激勵(lì)過(guò)程；系數(shù)1/2表示吸收兩個(gè)光子產(chǎn)生一個(gè)電子空穴對(duì)。在一般SEE實(shí)驗(yàn)中，僅有一種激勵(lì)過(guò)程是主要的，另一個(gè)被忽略，因此式（1）中右邊也是僅考慮其中一項(xiàng)。脈沖激光輻照度I（r，z，t）表明了載流子密度的時(shí)間和空間依賴(lài)關(guān)系。假設(shè)聚焦激光光束在空間域和時(shí)域上都是高斯型，則有：

式中：ω0是光束束腰位置的半徑，也是1/e2時(shí)的光束半徑；Τ是1/e處測(cè)得的脈沖半寬高。光束半徑的軸向依賴(lài)關(guān)系如下：

其中：z0=（nπω02）/（λ）；zfoc是束腰的軸向位置；z是雷利射程（是指輻照度降為初始的1/2 時(shí)相距zfoc的距離）；n是介質(zhì)的折射系數(shù)。因此，I0對(duì)應(yīng)輻照度的峰值（I（r=0，z=zfoc，t=0）），等于I0=2E/（πω02τ（π）1/2），E是考慮Fresnel反射的入射到器件內(nèi)的脈沖能量。

第二個(gè)描述光傳播的等式，考慮光在傳播過(guò)程中的光輻照度衰減，也就是光損耗，關(guān)系如下：

式（4）右邊分別表示SPA 和TPA 激勵(lì)過(guò)程。將式（4）代入式（1），并對(duì)時(shí)間t積分，就能得到CD 的空間分布情況，也就是N（r，z）。

McMorrow 等［3］仿真分析了SPA 和TPA 產(chǎn)生的載流子密度隨徑向距離r和軸向距離z的變化。在計(jì)算載流子密度的過(guò)程中，假設(shè)飛秒脈沖激光注入的電荷在器件敏感體積內(nèi)的分布呈現(xiàn)平行六面體結(jié)構(gòu)，即就是重離子誘發(fā)單粒子效應(yīng)是所假設(shè)的RPP（Rectangular ParallelePiped Volume）模型。

從式（1）可以看出，描述TPA誘發(fā)產(chǎn)生的載流子密度分布N（r，z，t）隨時(shí)間變化的等式是：

式中：?v是光子能量，脈沖激光輻照度I（r，z，t）決定了CD分布的時(shí)空依賴(lài)關(guān)系。假設(shè)聚焦激光在空間分布是時(shí)間分布上都是高斯型光束，對(duì)式（5）進(jìn)行整個(gè)時(shí)間內(nèi)的積分計(jì)算就能得到CD、N（r，z）。如果再對(duì)CD在整個(gè)空間內(nèi)進(jìn)行積分計(jì)算，則得到的值Qmax表示每個(gè)脈沖激光經(jīng)TPA產(chǎn)生的總電荷。Qmax同時(shí)也給出了在假設(shè)RPP 模型和100% 電荷收集的條件下TPA SEE實(shí)驗(yàn)中收集電荷的最大值。

式中：E是激光入射到硅材料中的脈沖能量（如必須考慮硅材料表面的反射等）；τ是激光脈沖在光輻照度1/e處的半寬度；n是介質(zhì)的折射系數(shù)；q是電子電荷；β2是雙光子吸收系數(shù)。從式（6）可以看出，Qmax僅包含兩個(gè)實(shí)驗(yàn)測(cè)試參數(shù)E和τ，以及兩個(gè)材料特性參數(shù)β2和n。

但是，在雙光子非線(xiàn)性吸收過(guò)程中，描述載流子密度分布的數(shù)學(xué)模型如下［1?4］：

式（7）描述了非線(xiàn)性吸收（Nonlinear Absorbtion，NLA）引起激光脈沖輻照過(guò)程中的光強(qiáng)I（r，z，t）衰減，其中r是光束半徑；z是入射路徑的z軸方向；t是激光入射傳播時(shí)間。式中第一項(xiàng)表示瞬時(shí)雙光子吸收（TPA系數(shù)，β2），第二項(xiàng)表示自由載流子吸收（Free Carrier Absorption，F(xiàn)CA）（FCA 截面，σFCA），其與載流子的產(chǎn)生相關(guān)聯(lián)（式中其直接正比于自由載流子密度，N）。

式（8）描述了雙光子吸收TPA 誘發(fā)產(chǎn)生的自由載流子隨時(shí)間變化的演變過(guò)程（第一項(xiàng)正比于光強(qiáng)I的平方值，其中?w是光子能量）和載流子的減小變化過(guò)程（其依賴(lài)于載流子復(fù)合時(shí)間τ）。

式（9）描述了電磁場(chǎng)的相位變化過(guò)程，這也是脈沖激光在傳播過(guò)程中波束形狀的改變的最主要原因。其中第一項(xiàng)表示瞬時(shí)非線(xiàn)性折射（Nonlinear Refraction，NLR，n2），第二項(xiàng)表示自由載流子折射（Free Carrier Refraction，F(xiàn)CR，σFCR是非線(xiàn)性折射截面）。非線(xiàn)性折射率n2可正可負(fù)，因材料而定，正值表示自聚焦，而負(fù)值表示自散焦。

式（7～9）中的非線(xiàn)性參數(shù)β2、σFCA、σFCR和n2都是需要通過(guò)非線(xiàn)性光譜計(jì)測(cè)量得到，且這些不同的非線(xiàn)性過(guò)程都會(huì)影響載流子密度分布（圖1），入射激光能量是10 nJ。圖1（a）中僅包含TPA過(guò)程，其載流子分布與較低能量激光照射下TPA起主要作用的過(guò)程中產(chǎn)生的載流子分布類(lèi)似。圖1（b）中顯示是增加了非線(xiàn)性折射現(xiàn)象對(duì)載流子密度分布的影響情況，與僅有TPA 作用相比，NLR 和TPA 同時(shí)作用下使得聚焦光斑超透鏡方向明顯移動(dòng)，其載流子密度峰值增加近10 倍。但是一旦考慮自由載流子效應(yīng)時(shí)，NLR 的影響就基本被完全忽略了，圖1（c）是增加了自由載流子吸收過(guò)程對(duì)載流子分布的影響分析，與僅有TPA過(guò)程相比，明顯減小了載流子密度的峰值；而且，脈沖激光輻照度的減小明顯降低了NLR 對(duì)載流子密度的貢獻(xiàn)以及聚焦光斑在軸向上的偏移。圖1（d）是FCR 引起載流子密度發(fā)散的情形，這使得在聚焦深度zfoc處出現(xiàn)了更大的光斑以及更小的激光輻照度，與圖1（c）相比，CD 顯得更大，其峰值也進(jìn)一步減小。

圖1 不同非線(xiàn)性光學(xué)參數(shù)對(duì)TPA誘發(fā)產(chǎn)生載流子密度的影響 (a) TPA，(b) TPA+NLR，(c) TPA+FCA，(d) FCRFig.1 Influence of different nonlinear optical parameters on carrier density induced by TPA(a) TPA, (b) TPA+NLR, (c) TPA+FCA, (d) FCR

激光能量也會(huì)對(duì)載流子密度分布產(chǎn)生影響，圖2 為3 種不同能量（0.1 nJ、1.0 nJ、10 nJ）下脈沖激光入射硅晶圓時(shí)TPA產(chǎn)生的載流子密度分布變化。圖2 只顯示了距離晶圓表面40 μm 區(qū)域內(nèi)的情形。在圖2（a）所示的低能脈沖激光照射下，TPA 過(guò)程是唯一起重要作用的非線(xiàn)性光學(xué)過(guò)程，CD很類(lèi)似于高斯分布。圖2（b）所示的1 nJ 激光入射產(chǎn)生的CD 和0.1 nJ激光產(chǎn)生的非常相似，僅僅是在軸向發(fā)生了小距離的偏移，這是由于TPA 和FCA 共同作用的結(jié)果。與低能量激光入射情形相比，圖2（c）的10 nJ入射時(shí)產(chǎn)生的CD 明顯不同于高斯分布，在軸向出現(xiàn)了更明顯的偏移且類(lèi)似彗星形狀，圖2（d）是10 nJ入射時(shí)的輻照度分布情況，位移和形狀的改變就更加明顯，這主要是由于其他的非線(xiàn)性光學(xué)過(guò)程（如：FCA、FCR、NLR等）起明顯作用。

圖2 不同能量脈沖激光對(duì)CD的影響 (a) 0.1 nJ，(b) 1 nJ，(c) 10 nJ，(d) 10 nJFig.2 Effects of different energy pulsed laser on CD (a) 0.1 nJ, (b) 1 nJ, (c) 10 nJ, (d) 10 nJ

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)

2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

評(píng)估SEE效應(yīng)的輻射危害傳統(tǒng)都是利用加速器產(chǎn)生的重離子束輻照器件實(shí)現(xiàn)的。但脈沖激光雙光子吸收評(píng)估SEE的方法，因其具有無(wú)輻射、低成本的特點(diǎn)，且能從器件背面進(jìn)行輻照實(shí)驗(yàn)，以及準(zhǔn)確定位入射位置等而被業(yè)界普遍接受，已成為重離子單粒子效應(yīng)評(píng)估方法的有力補(bǔ)充。近年來(lái)，國(guó)外諸多研究機(jī)構(gòu)逐漸開(kāi)始利用非線(xiàn)性光學(xué)的方法，尤其是分析半導(dǎo)體中通過(guò)TPA 產(chǎn)生載流子的過(guò)程，這種方法已被廣泛用于模擬衛(wèi)星用微電子器件因輻射引起的單粒子效應(yīng)，并開(kāi)展了大量的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究［5］。

美國(guó)Dale McMOrrow 等［3?5］對(duì)雙光子吸收誘發(fā)單粒子效應(yīng)進(jìn)行了模擬分析和實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究。實(shí)驗(yàn)用的被測(cè)試的設(shè)備（Device Under Test，DUT）為體硅二極管和外延二極管（圖3）。脈沖激光波長(zhǎng)為1 260 nm，脈寬150 fs，重復(fù)頻率1 kHz。激光從DUT正面入射，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 體硅二極管和外延二極管飛秒脈沖激光誘發(fā)的瞬態(tài)電流Fig.3 Transient currents of bulk silicon diode and epitaxial diode induced by femtosecond pulse laser

從圖3中可以看出，在器件晶圓的同一深度處，不同能量引起的收集電荷是不相同的。同時(shí)，不同深度的收集電荷也是不相同的，根據(jù)這個(gè)特性，就可以利用Z掃描技術(shù)通過(guò)觀測(cè)瞬態(tài)電流的峰值變化確定晶圓內(nèi)部的敏感深度。這個(gè)方法對(duì)于確定器件敏感體積以及器件抗輻射性能評(píng)估具有重要意義。

圖4為利用飛秒脈沖激光對(duì)運(yùn)算放大器LM124進(jìn)行單粒子瞬態(tài)效應(yīng)的研究分析，并根據(jù)瞬態(tài)電壓的變化確定了器件內(nèi)部敏感晶體管的三維區(qū)域［6?7］。

圖4 運(yùn)算放大器LM124 (a)，單粒子瞬態(tài)效應(yīng)變化(b)Fig.4 Operational amplifier LM124 (a) and variation of single particle transient (b)

從圖4 中可以看出，不同深度瞬態(tài)電壓的幅值是不同的，據(jù)此信息就能確定器件內(nèi)部敏感體積的三維分布信息。

再如利用飛秒脈沖激光輻照LM741CH 獲得單粒子瞬態(tài)效應(yīng)變化如圖5 所示［8］，DUT 安裝在一個(gè)金屬罐封裝中，它是一個(gè)由Texas Instruments制造的通用的運(yùn)算放大器。實(shí)驗(yàn)用的飛秒激光脈寬為150 fs，波長(zhǎng)為1 200 nm。

圖5 LM741CH響應(yīng)與入射脈沖能量的關(guān)系Fig.5 The relationship between LM741CH response and incident pulse energy

飛秒脈沖激光還可以用于其他器件，如圖6 所示，是一種通用的低功率硅NPN 雙極結(jié)型晶體管BC108［8］，測(cè)試期間使用的器件由Mulitcom Pro 制造，并安裝在金屬罐封裝中。

圖6 BC108測(cè)得的響應(yīng)與1 200 nm波長(zhǎng)入射脈沖能量的關(guān)系Fig.6 The relationship between the response of BC108 and the incident pulse energy at 1 200 nm

對(duì)于超大規(guī)模集成電路Xilinx Virtex-5 FPGA（Field Programmable Gate Array），利 用 波 長(zhǎng) 為1 200 nm的飛秒脈沖激光進(jìn)行了FPGA配置寄存器的位錯(cuò)誤實(shí)驗(yàn)研究［9］，實(shí)驗(yàn)過(guò)程掃描如圖7所示。

圖7 FPGA的飛秒脈沖激光單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)Fig.7 Single particle effect test of FPGA induced by femtosecond pulsed laser

對(duì)器件敏感區(qū)域連續(xù)掃描，得到它的位錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。從表1 中可以看出，發(fā)生位錯(cuò)誤的能量閾值約為300 pJ，之后隨著能量的增加，位錯(cuò)誤總數(shù)將急劇增大，在能量達(dá)到800 pJ后位錯(cuò)誤趨向于飽和狀態(tài)。

表1 不同區(qū)域配置寄存器位錯(cuò)誤Table 1 Bit error of configuration register in different regions

在傳統(tǒng)的硅基器件中，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究表明，飛秒脈沖激光能夠?qū)崿F(xiàn)單粒子效應(yīng)模擬分析，且激光波長(zhǎng)主要集中在1 260 nm。隨著工藝技術(shù)的不斷發(fā)展，航天、航空以及汽車(chē)電子等對(duì)器件性能要求的不斷提高，近年來(lái)涌現(xiàn)出了一些新的不同硅基的器件，如第三代半導(dǎo)體的寬禁帶器件以及碳基器件。利用飛秒脈沖激光Z掃描技術(shù)研究這些器件的敏感性，對(duì)于器件敏感性評(píng)估、器件篩選以及抗輻射加固設(shè)計(jì)的信息獲取等方面都具有重要意義。如對(duì)于新型的寬禁帶器件GaN二極管［10］，利用波長(zhǎng)為600 nm左右的激光進(jìn)行了雙光子吸收單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究，脈沖激光的脈寬為150 fs。圖8為630 nm和586 nm激光照射GaN二極管產(chǎn)生單粒子瞬態(tài)的實(shí)驗(yàn)情況，實(shí)驗(yàn)用的激光能量為1.4 nJ。

圖8 不同波長(zhǎng)飛秒激光在GaN二極管中誘發(fā)的瞬態(tài)電流變化Fig.8 Variations of transient current induced by femtosecond laser with different wavelengths in GaN diodes

同時(shí)還研究了不同波長(zhǎng)激光引起的瞬態(tài)電流幅值變化（圖9）。

圖9 光波長(zhǎng)對(duì)瞬態(tài)電流峰值的影響Fig.9 The effect of optical wavelength on transient current peak

從圖8 和圖9 可以看出，對(duì)于寬禁帶器件，與硅基器件不同，TPA 誘發(fā)產(chǎn)生單粒子效應(yīng)需要光子能量更高，其激光波長(zhǎng)主要集中在500～650 nm，實(shí)驗(yàn)中具體需要的激光波長(zhǎng)還需根據(jù)器件的材料進(jìn)行具體計(jì)算。

Schwank 等［9?10］對(duì)比分析了SOI（Silicon-On-Insulator）器件由SPA 和TPA 脈沖激光實(shí)驗(yàn)技術(shù)誘發(fā)產(chǎn)生電荷收集，實(shí)驗(yàn)用的SOI 二極管的模型如圖10所示。

圖10 實(shí)驗(yàn)被測(cè)SOI器件模型與實(shí)物圖Fig.10 Model and physical picture of SOI device under test

實(shí)驗(yàn)中脈沖激光從器件背面入射［11?14］。TPA 脈沖激光的波長(zhǎng)為1 260 nm，脈寬120 fs，光斑直徑為1.6 μm，激光脈沖的重復(fù)頻率為1 kHz。SPA脈沖激光的波長(zhǎng)為590 nm，脈寬為1 ps，光斑直徑約為1 μm，激光脈沖的重復(fù)頻率為12 kHz。器件反向偏置電壓為3 V。后端用電荷靈敏放大器采集激光輻照誘發(fā)產(chǎn)生的電荷收集過(guò)程。SPA和TPA實(shí)驗(yàn)的電荷收集如圖11所示。

圖11 SPA和TPA誘發(fā)產(chǎn)生的電荷收集對(duì)比Fig.11 Comparison of the charge collected from diodes induced by TPA and SPA

SEE敏感性三維圖對(duì)分析器件的敏感程度非常重要，尤其對(duì)于功率MOSFET 和雙極性線(xiàn)性器件，這些器件的敏感體積不是直接在器件頂部表面的下方。了解敏感體積的位置和范圍可通過(guò)協(xié)助改變?cè)O(shè)計(jì)來(lái)減緩SEE，而且對(duì)輻射環(huán)境的SEE 率預(yù)計(jì)也是必不可少的。

理論上SPA 可以得到SEE 敏感性的三維圖，但是TPA 更加適合，這是因?yàn)門(mén)PA 誘發(fā)產(chǎn)生的電荷局部沉積在焦點(diǎn)周?chē)?，這使得在Z方向提供了更好的分辨率。 圖12 顯示了利用TPA 獲得的功率MOSFET 的SEE 敏感性三維圖，該圖揭示了敏感體積的相對(duì)復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)。

圖12 TPA誘發(fā)功率MOSFET的SEE敏感性三維圖Fig.12 Three-dimensional view of SEE sensitivity of power MOSFET induced by TPA

敏感體積深度的定量分析也可以利用SPA或者TPA 實(shí)現(xiàn)。利用SPA 時(shí)，最少需要兩種不同波長(zhǎng)脈沖激光，且穿透深度要足夠大；而利用TPA時(shí)利用單一波長(zhǎng)脈沖激光的Z掃描就足以實(shí)現(xiàn)。圖13分別給出了正SET和負(fù)SET的敏感體積深度測(cè)試結(jié)果。

圖13 LM124負(fù)向(a)和正向(b)瞬態(tài)脈沖的SEE敏感體積深度Fig.13 SEE sensitive volume depth of negative (a) and positive (b) transient pulses of LM124

圖13中表明，與正向SET 相比，負(fù)向SET 的一些敏感體積位于不同的深度處。

總之，國(guó)外在飛秒脈沖激光方面的研究已初步開(kāi)展了相關(guān)的仿真分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，通過(guò)仿真分析了硅材料中雙光子吸收誘發(fā)載流子的過(guò)程，并結(jié)合相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析，驗(yàn)證了飛秒脈沖激光單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)方法的可行性和正確性。

2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)脈沖激光單粒子效應(yīng)研究以單光子吸收為主，開(kāi)展了器件單粒子效應(yīng)敏感區(qū)域定位、電路系統(tǒng)抗單粒子鎖定驗(yàn)證、單粒子鎖定對(duì)ADC輸出影響分析、電路系統(tǒng)抗單粒子翻轉(zhuǎn)EDAC（Error Detection And Correction）驗(yàn)證、脈沖激光模擬FPGA單粒子效應(yīng)等研究。研究成果不僅在單粒子效應(yīng)機(jī)理研究方面得到了應(yīng)用，而且也在航天型號(hào)任務(wù)中進(jìn)行了推廣。目前主要針對(duì)PWM（Pulse Width Modulator）控制器［15］、SiGe 工藝運(yùn)算放大器、SRAM（Static Random-Access Memory）、FLASH 等器件開(kāi)展了相關(guān)單粒子效應(yīng)研究，并且也利用脈沖激光設(shè)備對(duì)型號(hào)任務(wù)歸零中的單粒子效應(yīng)進(jìn)行了分析驗(yàn)證［16?18］。

除此之外，中國(guó)科學(xué)院空間中心、航天五院物資部等單位也在開(kāi)展關(guān)于脈沖激光單粒子效應(yīng)的研究，對(duì)傳統(tǒng)的硅基器件開(kāi)展了諸如脈沖激光單粒子效應(yīng)機(jī)理研究、器件抗輻射性能評(píng)估、器件篩選等相關(guān)研究工作，取得的研究成果也用在器件抗輻射設(shè)計(jì)以及衛(wèi)星用器件選用方面，對(duì)提升宇航用器件的抗輻射性能起到了積極作用。

但是，關(guān)于雙光子非線(xiàn)性吸收的飛秒脈沖激光單粒子效應(yīng)研究目前還是空白。國(guó)內(nèi)現(xiàn)只有航天510所引進(jìn)了國(guó)際最先進(jìn)的飛秒脈沖激光單粒子效應(yīng)模擬設(shè)備，初步從模擬仿真分析和實(shí)驗(yàn)技術(shù)方面開(kāi)展關(guān)于雙光子誘發(fā)單粒子效應(yīng)的相關(guān)研究。圖14為皮秒脈沖激光（波長(zhǎng)1 064 nm、脈寬30 ps）模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備和飛秒脈沖激光（波長(zhǎng)690～1 300 nm、脈寬190 fs～10 ps）。

圖14 皮秒脈沖激光和飛秒脈沖激光單粒子效應(yīng)模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備Fig.14 Test equipments of picosecond pulse laser and femtosecond pulse laser for SEE simulation

3 飛秒脈沖激光在抗輻射評(píng)估中的應(yīng)用前景分析

隨著半導(dǎo)體器件工藝不斷減小，尤其是進(jìn)入35 nm及以下，器件敏感節(jié)點(diǎn)的面積越來(lái)越小，需要更長(zhǎng)波長(zhǎng)的光束以得到更小光斑的脈沖激光，此時(shí)雙光子吸收產(chǎn)生載流子是誘發(fā)器件單粒子效應(yīng)的主要原因。近年來(lái)，基于飛秒脈沖激光的雙光子非線(xiàn)性吸收產(chǎn)生載流子分析單粒子效應(yīng)機(jī)理及實(shí)驗(yàn)研究的方法已成為研究微納米電子器件單粒子效應(yīng)的主要方法［19?21］。飛秒脈沖激光TPA在定性分析單粒子效應(yīng)的優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在敏感節(jié)點(diǎn)表征、輻射加固電路驗(yàn)證、脈沖激光誘發(fā)單粒子效應(yīng)機(jī)理研究、模型驗(yàn)證和校準(zhǔn)、空間飛行任務(wù)的器件篩選以及故障注入以分析復(fù)雜電路中的錯(cuò)誤傳播等方面。

3.1 脈沖激光單粒子效應(yīng)機(jī)理的深度研究

雙光子吸收的非線(xiàn)性過(guò)程不僅能定性地分析單粒子效應(yīng)，還為定量分析計(jì)算單粒子效應(yīng)誘發(fā)電荷提供了極大可能，另外還可以利用雙光子吸收的Z掃描技術(shù)實(shí)現(xiàn)單粒子效應(yīng)敏感區(qū)域定位和單粒子效應(yīng)敏感區(qū)域3D成像［22?23］，這樣就能更加詳細(xì)地了解單粒子效應(yīng)的載流子分布的時(shí)空信息，全面分析研究脈沖激光誘發(fā)單粒子效應(yīng)機(jī)理。

3.2 空間任務(wù)的器件篩選

一方面脈沖激光具有無(wú)輻射危害的優(yōu)點(diǎn)，另一方面飛秒脈沖激光基于雙光子吸收過(guò)程能從器件背面入射激光到特定的位置，直接獲取與單粒子效應(yīng)相關(guān)的器件信息參數(shù)，避免了器件金屬層等對(duì)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性的影響，為器件抗輻射加固設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持［24?26］。同時(shí)基于脈沖激光單粒子效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，不僅能為重離子實(shí)驗(yàn)提供數(shù)據(jù)參考，還可以結(jié)合重離子實(shí)驗(yàn)結(jié)果，為器件國(guó)產(chǎn)化替代提供重要敏感信息，為空間任務(wù)的器件篩選提供支持。

3.3 電子設(shè)備抗輻射評(píng)估中的應(yīng)用

由于現(xiàn)代衛(wèi)星用電子設(shè)備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)都很復(fù)雜，僅針對(duì)單個(gè)敏感器件的輻照實(shí)驗(yàn)來(lái)評(píng)估整個(gè)系統(tǒng)單粒子效應(yīng)的敏感性顯然是不足的，至今也難以提出衡量系統(tǒng)單粒子效應(yīng)敏感性的特征參數(shù)［27?29］。如針對(duì)器件空間單粒子效應(yīng)敏感性提出的翻轉(zhuǎn)率參數(shù)，應(yīng)用在系統(tǒng)敏感性評(píng)估時(shí)就具有一定的局限性和不足；另外，當(dāng)電子系統(tǒng)中某單個(gè)器件發(fā)生單粒子效應(yīng)后，是不是會(huì)誘發(fā)整個(gè)電子系統(tǒng)發(fā)生故障？如果是，那么僅知道器件發(fā)生單粒子效應(yīng)的概率，是不是可預(yù)示其誘發(fā)系統(tǒng)故障的概率？目前仍沒(méi)有明確的結(jié)論。隨著衛(wèi)星電子系統(tǒng)性能的日益提升和現(xiàn)代電子器件結(jié)構(gòu)的不斷復(fù)雜化，重離子的寬束照射方式已逐漸顯現(xiàn)出了其應(yīng)用的局限性［30］，需要基于脈沖激光手段進(jìn)一步開(kāi)展深入系統(tǒng)的研究工作來(lái)解決相關(guān)問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

脈沖激光單粒子效應(yīng)試驗(yàn)技術(shù)相比于重離子試驗(yàn)技術(shù)具有準(zhǔn)確定位敏感區(qū)域、無(wú)輻射危害等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于識(shí)別和表征集成電路的敏感節(jié)點(diǎn)。這主要得益于脈沖激光的定性表征能力，尤其是在沒(méi)有輻射危害的情況下能夠定位和表征集成電路中的單粒子效應(yīng)敏感節(jié)點(diǎn)，可以提供重離子實(shí)驗(yàn)無(wú)法提供的關(guān)于單粒子效應(yīng)的時(shí)間和空間信息。目前，以皮秒脈沖激光為主的單光子吸收模擬試驗(yàn)技術(shù)已在器件敏感區(qū)域定位、抗輻射性能評(píng)估等方面得到了廣泛應(yīng)用。隨著器件工藝的逐漸減小，以及國(guó)產(chǎn)器件替代的技術(shù)驅(qū)動(dòng)下，利用飛秒脈沖激光進(jìn)行器件評(píng)估的實(shí)驗(yàn)技術(shù)能對(duì)器件制造、工藝改進(jìn)、抗輻射加固設(shè)計(jì)等方面提供切實(shí)有力的重要信息。