高 博，余學(xué)峰，任迪遠(yuǎn)，李豫東，李茂順，崔江維，王義元，吾勤之，劉偉鑫

（1.中國(guó)科學(xué)院 新疆理化技術(shù)研究所，新疆 烏魯木齊 830011；2.新疆電子信息材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830011；3.中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京 100049；4.上海航天技術(shù)研究院 第八○八研究所，上海 201109）

自20世紀(jì)80年代以來(lái)，隨著分布式供電系統(tǒng)的出現(xiàn)，DC－DC電源轉(zhuǎn)換器得到了廣泛應(yīng)用，尤其是功耗低、重量輕、效率高、可靠性高等特點(diǎn)，使得它在航空航天電子控制系統(tǒng)中有著很大的發(fā)展前景。DC－DC電源轉(zhuǎn)換器應(yīng)用于航空航天電子系統(tǒng)時(shí)，在其供電的系統(tǒng)中，電壓最高、電流最大，是系統(tǒng)中出現(xiàn)問(wèn)題影響最嚴(yán)重的器件［1－2］。同時(shí)，由于空間存在大量的帶電粒子及射線，當(dāng)DC－DC電源轉(zhuǎn)換器應(yīng)用于航空航天電子系統(tǒng)時(shí)，會(huì)受到自然輻射的影響，引起電參數(shù)的變化，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致器件功能失效，進(jìn)而影響衛(wèi)星的可靠性，縮短衛(wèi)星的使用壽命。因此，為在航空航天電子系統(tǒng)中更好地運(yùn)用星載DC－DC電源轉(zhuǎn)換器，需研究它的輻射損傷效應(yīng)，了解其抗輻射性能。

本文對(duì)國(guó)外某公司低功率、雙輸出型DC－DC電源轉(zhuǎn)換器在不同負(fù)載（空載、1／4功率負(fù)載、1／2功率負(fù)載、滿功率負(fù)載）、不同輸入電壓（最小輸入電壓、典型輸入電壓、最大輸入電壓）條件下的輸入電流Iin、正路／負(fù)路輸出電壓Vout、正路輸出電流Iout、抑制模式下的輸入電流Iinhibit等參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，研究星載DC－DC電源轉(zhuǎn)換器總劑量輻射損傷效應(yīng)，對(duì)器件抗輻射保障技術(shù)提供指導(dǎo)，為該型號(hào)DC－DC電源轉(zhuǎn)換器在航空航天中的應(yīng)用提供參考。

1 樣品與實(shí)驗(yàn)

DC－DC電源轉(zhuǎn)換器的工作原理是將一種直流電壓通過(guò)由脈沖信號(hào)控制的功率開關(guān)管轉(zhuǎn)換為交流，再經(jīng)過(guò)輸出整流濾波轉(zhuǎn)換為另外一種（固定的或可調(diào)的）直流電壓，以實(shí)現(xiàn)直流功率轉(zhuǎn)換［2］。

實(shí)驗(yàn)樣品是美國(guó)VPT公司生產(chǎn)的H級(jí)小功 率 DC－DC 電 源 轉(zhuǎn) 換 器，15W 的DVHF2812DF 和 30W 的 DVTR2815DF［3］。電離輻照實(shí)驗(yàn)在中國(guó)科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所2.59×1015Bq的60Coγ射線源上進(jìn)行，輻照總劑量達(dá)到4×102Gy（Si）。利用FeSO4熱釋光劑量片對(duì)劑量率進(jìn)行標(biāo)定，輻照劑量率為0.5Gy（Si）／s。

按照國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)《半導(dǎo)體器件輻射加固實(shí)驗(yàn)方法γ總劑量輻射實(shí)驗(yàn)》（GJB548B－1019），對(duì)器件進(jìn)行輻照及退火實(shí)驗(yàn)。器件進(jìn)行總劑量4×102Gy（Si）的輻照實(shí)驗(yàn)，輻照后先對(duì)器件進(jìn)行電參數(shù)測(cè)試，然后在室溫下退火24h，再對(duì)器件追加總劑量的50%（2×102Gy（Si））輻照，最后進(jìn)行80℃高溫退火實(shí)驗(yàn)。輻照和退火時(shí)器件的偏置條件相同，即受試器件處于1／2功率負(fù)載偏置條件下：受試器件的電源電壓輸入端施加28V直流電壓，控制端按規(guī)定施加相應(yīng)的電平或空置，輸出端接1／2功率負(fù)載電阻。測(cè)量參數(shù)包括：Iin、Vout、Iout、Iinhibit，測(cè)量時(shí)間不超過(guò)30min。

2 結(jié)果與討論

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖1示出不同負(fù)載、不同輸入電壓下器件的輸出電壓Vout隨總劑量、退火時(shí)間的變化關(guān)系。由圖1可看出，DVTR2815DF型DC－DC電源轉(zhuǎn)換器的輸出電壓隨總劑量、退火時(shí)間無(wú)明顯變化，經(jīng)過(guò)4×102Gy（Si）總劑量輻照后，DVHF2812DF型DC－DC電源轉(zhuǎn)換器的輸出電壓無(wú)明顯變化，但在隨后的室溫退火中滿功率負(fù)載下的輸出電壓出現(xiàn)了不同程度的后損傷效應(yīng)，下降近15%。追加劑量輻照時(shí)，除滿功率負(fù)載下的輸出電壓繼續(xù)減小外，1／4功率負(fù)載、1／2功率負(fù)載下的輸出電壓也發(fā)生了不同程度的變化，但高溫退火24h輸出電壓恢復(fù)正常。滿功率負(fù)載下輸出電壓衰減得最嚴(yán)重。

圖2、3為不同負(fù)載、不同輸入電壓下器件的Iin、Iout隨總劑量、退火時(shí)間的變化關(guān)系。從圖中可看到，DVTR2815DF型DC－DC電源轉(zhuǎn)換器的Iin、Iout隨總劑量、退火時(shí)間無(wú)明顯變化。DVHF2812DF型DC－DC電源轉(zhuǎn)化器在追加50%劑量輻照時(shí)，除空載條件下的Iin無(wú)明顯變化外，其他負(fù)載條件下Iin隨總劑量的增加而

減小，有的下降了70%左右，高溫退火24h后恢復(fù)至初始值附近。Iout在追加50%劑量時(shí)發(fā)生了不同程度的減小，同樣在高溫退火24h后恢復(fù)至初始值附近。

圖3 輸出電流Iout隨總劑量、退火時(shí)間的變化關(guān)系Fig.3 Output currents versus total dose and annealing time

圖4示出不同負(fù)載、不同輸入電壓時(shí)器件Iinhibit隨總劑量、退火時(shí)間的變化關(guān)系。從圖中可看到，Iinhibit隨著追加劑量的增加而增大，高溫退火24h后恢復(fù)到初始值附近。

圖4 抑制模式下輸入電流Iinhibit隨總劑量、退火時(shí)間的變化關(guān)系Fig.4 Input current of inhibition mode versus total dose and annealing time

2.2 討論

電離總劑量輻射效應(yīng)主要是帶電粒子（如低能電子、質(zhì)子等）、X、γ射線與 MOS器件中柵介質(zhì)作用的結(jié)果。光子和帶電粒子在電離輻射作用下，通過(guò)物體時(shí)被吸收或減速將損失的能量傳遞給原子，原子電離產(chǎn)生電子空穴對(duì)，這些電子空穴對(duì)通過(guò)復(fù)合、漂移、擴(kuò)散、積累等，從而在SiO2絕緣層中產(chǎn)生氧化物陷阱電荷并在Si－SiO2界面產(chǎn)生界面態(tài)陷阱電荷，導(dǎo)致 MOS器件構(gòu)成的集成電路的性能參數(shù)顯著變化，以致功能失效［4－5］。

功率 MOSFET是DC－DC電源轉(zhuǎn)換器中對(duì)電離輻射較為敏感的器件［6－9］。輻照時(shí)，由于氧化物陷阱電荷和界面態(tài)陷阱電荷共同作用，使得功率MOSFET的閾值電壓負(fù)向漂移，但由于功率MOSFET柵氧化層較厚，同時(shí)柵極正偏，導(dǎo)致柵氧化層中俘獲的氧化物陷阱電荷數(shù)量很多，遠(yuǎn)大于界面陷阱電荷對(duì)閾值電壓漂移產(chǎn)生的影響。由于柵氧化層正的氧化物電荷的累積，功率MOSFET的開啟電壓在輻照時(shí)隨著總劑量的增加表現(xiàn)為負(fù)向漂移，從而導(dǎo)致功率MOSFET閾值電壓的嚴(yán)重退化。DVHF2812DF型DC－DC電源轉(zhuǎn)化器的電參數(shù)在追加劑量輻照時(shí)發(fā)生了明顯的漂移。我們認(rèn)為，在前期輻照時(shí)積累的大量氧化物正電荷在室溫時(shí)退火的數(shù)量很少，導(dǎo)致追加輻照時(shí)和新產(chǎn)生的氧化物正電荷共同作用使得器件的參數(shù)發(fā)生大的變化。輻射誘導(dǎo)空穴的退火可分為隧道退火和熱激發(fā)退火兩種模型［10］，實(shí)驗(yàn)中忽略了因電場(chǎng)引起勢(shì)壘降低而引發(fā)的隧道注入。在熱發(fā)射模型中，氧化物正電荷激發(fā)到價(jià)帶的幾率與陷阱相對(duì)于SiO2價(jià)帶的能量成指數(shù)關(guān)系。熱發(fā)射退火以熱發(fā)射前沿Φm（t）為其特征：

式中：T為絕對(duì)溫度；K為玻爾茲曼常數(shù)；q為基本電荷；A為與空間俘獲截面有關(guān)的參數(shù)。

所有能量小于Φm的空穴被熱發(fā)射退火，而大于Φm的空穴仍被陷阱俘獲。室溫退火時(shí)，氧化層中大量靠近界面較淺能級(jí)的亞穩(wěn)態(tài)俘獲空穴的能量小于Φm，發(fā)生退火，迅速被激發(fā)到價(jià)帶，可能隨機(jī)躍遷進(jìn)入界面和襯底。實(shí)驗(yàn)中只有少量的淺能級(jí)俘獲空穴在室溫中退火，大量深能級(jí)俘獲空穴由于能量大于Φm繼續(xù)被俘獲，因此，深能級(jí)俘獲空穴的數(shù)量遠(yuǎn)多于淺能級(jí)。功率MOSFET的柵氧層很厚，同樣也說(shuō)明了被俘獲的空穴位于深能級(jí)的較多。在追加輻照時(shí)，新俘獲的空穴和未退火的深能級(jí)俘獲空穴共同作用，使得器件的電參數(shù)發(fā)生顯著變化。同時(shí)，在高溫退火初期，參數(shù)恢復(fù)到正常值附近，說(shuō)明深能級(jí)俘獲空穴隨著溫度的升高快速退火，用熱激發(fā)模型可很好地解釋這一現(xiàn)象。

DVTR2815DF型DC－DC電源轉(zhuǎn)換器的輸入電流、輸出電流和輸出電壓在輻照和退火過(guò)程中無(wú)明顯變化，只有抑制模式下輸入電流在追加50%總劑量輻照時(shí)，出現(xiàn)了明顯的增大。相比其他電參數(shù)，抑制模式下輸入電流在總劑量輻照時(shí)更加敏感，在評(píng)估輻射性能時(shí)應(yīng)引起足夠的注意。對(duì)于DVHF2812DF型DC－DC電源轉(zhuǎn)換器在追加50%總劑量輻照時(shí)，電參數(shù)均出現(xiàn)了不同程度的退化。雖然40W以下的小功率模塊設(shè)計(jì)上全部采用了反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但兩個(gè)不同型號(hào)電源模塊的功率不同。因此，導(dǎo)致了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的不同，這與文獻(xiàn)［3］敘述的不一致，對(duì)其考核抗輻射能力時(shí)，應(yīng)區(qū)別對(duì)待。在滿載情況下輸出電壓退化最嚴(yán)重，這與文獻(xiàn)［3］中提到的一致。

在不同輸入電壓、相同負(fù)載條件下器件參數(shù)隨總劑量、退火時(shí)間的變化趨勢(shì)是一致的，而在相同輸入電壓、不同負(fù)載條件下參數(shù)的變化差異很大。滿功率負(fù)載條件下，器件參數(shù)隨總劑量、退火時(shí)間的變化最明顯。這主要是由于在滿功率負(fù)載條件下，負(fù)載電阻最小，輸出的電流最大，而此時(shí)DC－DC電源轉(zhuǎn)換器中對(duì)輻射損傷最敏感的功率MOSFET開啟時(shí)所需的開啟電壓隨輻照劑量變化最靈敏。輻照引起開啟電壓微小的差異均會(huì)在輸出端產(chǎn)生很大的變化，這就是在滿功率負(fù)載條件下，器件參數(shù)隨總劑量、退火時(shí)間變化的最明顯的原因。同時(shí)在空載條件下，功率MOSFET未開啟，因此此時(shí)參數(shù)隨總劑量、退火時(shí)間的變化不明顯。

3 結(jié)論

在不同負(fù)載、不同輸入電壓條件下，測(cè)試了器件Iin、Vout、Iout、Iinhibit隨總劑量、退火時(shí)間的變化關(guān)系。抑制模式下輸入電流隨總劑量、退火時(shí)間的變化是較敏感的參數(shù)，不同型號(hào)的器件在追加輻照時(shí)均發(fā)生了顯著變化，考核器件抗輻射能力時(shí)，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。由于氧化物正電荷的積累，且在室溫退火時(shí)較深能級(jí)的俘獲空穴未退火，導(dǎo)致在追加劑量時(shí)器件的參數(shù)發(fā)生明顯變化。同時(shí)，在高溫退火初期，參數(shù)恢復(fù)到正常值附近，也說(shuō)明深能級(jí)俘獲空穴的退火和溫度有很大的關(guān)系，用熱激發(fā)模型可很好地解釋這一現(xiàn)象。滿功率負(fù)載下器件的參數(shù)隨總劑量的變化最大。

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