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脉冲激光模拟瞬态剂量率效应的应用及特点
阅读：605 发布时间：2021-4-16
摘要：在前面的推送中，“小抗”说到了脉冲激光是“SEE评估兵器”中的“柳叶刀”，主要是由于脉冲激光能够模拟出与重离子在半导体器件输出端相近的SEE电学特征，因而在SEE的试验研究上能起到很大作用。那么脉冲激光除了能够在SEE模拟上有很好的应用，在其他地方是否也能大显身手呢？“小抗”结合我们前期开展的一些工作，来给大家介绍一下脉冲激光在模拟瞬态剂量率效应的应用及其特点。
1.背景介绍
提到瞬态剂量率效应，就不得不说γ射线，γ射线是原子核能级跃迁退激时释放出的一种波长短于0.01埃(1埃=0.1纳米)的电磁波，具有很强的穿透力，γ射线穿过物质时会与物质原子相互作用，发生光电效应，康普顿效应，电子对效应。当半导体器件和电路处于瞬间高剂量γ射线的辐射环境中时，会通过以上三种效应产生电子空穴对，从而形成光电流。(如图1所示，当穿过的物质材料和γ射线的光子能量不同，其占据主导的效应也有所不同。)瞬态光电流又会在电路当中引发瞬态剂量率扰动、瞬态剂量率闩锁、瞬态剂量率翻转和瞬态剂量率烧毁等多种危害，这就是瞬态剂量率效应，又称瞬时γ电离辐射效应。
模拟高剂量率的γ射线辐射环境，主要应用的模拟源有两类：工作于光子模式的闪光X射线机(FXR)和工作于电子模式的直线加速器(LINAC)。上世纪八十年代开始，有国外专家提出了使用脉冲激光来进行模拟实验，并从理论上论证了脉冲激光模拟的可行性，之后国内外逐渐开始尝试用脉冲激光开展一些相关试验研究，脉冲激光模拟成为一种有效的研究手段。
2.装置介绍
激光模拟瞬态剂量率效应装置上，由于瞬态剂量率效应是瞬间高剂量的γ射线与半导体材料发生相互作用产生瞬态光电流，从而引发后续的器件和电路损伤，首先要解决的是，要能够模拟很高的剂量率，这就需要激光能量足够高，同时需要考虑到瞬间高剂量的一个脉宽，因而选择了一款能量达焦耳级的纳秒激光器作为输出源。另外我们还需要对光路进行设计，使激光光斑能够*覆盖芯片，从而尽可能的模拟出器件和电路处于γ射线的辐射环境产生的影响。我们通过对激光光束的调节和控制，通过测算获得一个重要的参数—光功率密度，通过调节光功率密度来模拟不同剂量率的伽马辐射环境。(图2是激光模拟瞬态剂量率装置实物图。)
3.初步开展的工作
目前我们已经开展了激光模拟瞬态剂量率的瞬态、闩锁和翻转试验，初步开展了一些激光模拟与闪光加速器的对比试验。下图分别是关于瞬态剂量率瞬态的激光模拟试验和闪光加速器试验的结果图，从采集瞬态波形可以看出，两者的脉宽幅值较为一致，同时瞬态波形的脉宽变化也呈现相同趋势，激光模拟试验的电磁干扰更少。
针对CMOS工艺器件我们开展了瞬态剂量率闩锁试验，分别开展激光模拟试验和闪光加速器试验，试验结果如下表所示。
除此之外，我们还利用激光的优势，开展了一些瞬态剂量率翻转试验和闩锁电流试验，并得到了一些有意思的试验结果：翻转数随着光功率密度增大反而减??；闩锁电流随光功率密度增大，有一个先减小后恢复的过程。
翻转数随着光功率密度增大反而减小
闩锁电流随光功率密度增大
后续我们会利用激光试验的优势，开展更多相关的研究，同时也会进一步完善激光模拟试验的相关试验技术和试验方法。
3.脉冲激光模拟的优势
相对于闪光X射线机和直线加速器，脉冲激光模拟有以下三个方面优势：
激光脉冲辐照参数可调
光强、脉宽、重频和束斑等激光辐照参数可控且易于调节，更能准确地测得器件发生位翻转、逻辑错误、闩锁、瞬态电压电流脉冲等器件响应特征，且具备很好的敏感区域定位优势，既可以定位具体灵敏单元，又可以进行全芯片覆盖的系统研究；使设计者在设计过程各个阶段都能进行γ辐射环境的抗辐照能力评估，可加快加固集成电路研制过程，降低了设计风险。
试验测试环境干扰少
避免了大量的寄生电磁闪烁现象，使得在线测试获取剂量率效应特征更加方便可行。激光试验几乎无干扰，非常适用于准确的集成电路剂量率效应机理研究；无总剂量的累积效应影响，便于提取瞬时剂量率单一效应的电学试验特征信息，更利于研究瞬时剂量率效应在集成电路中的产生机理。
试验设计成本低
试验时间短、效率高，可大量减少器件瞬态剂量率效应试验对加速器试验机时的占用。
小结
脉冲激光模拟手段有着激光脉冲辐照参数可调、试验测试环境干扰少、试验设计成本低天然优势，在研究瞬态剂量率效应方面大有可为，试验技术和试验方法上还有些许不足，需要加强完善。“小抗”期待同行专家能多提宝贵意见，共同助力脉冲激光在瞬态剂量率效应上的应用与发展，希望脉冲激光模拟瞬态剂量率效应能有重大进展，也希望脉冲激光能运用在更多的地方，发挥出更大的作用。