李 錚，于慶奎，羅 磊，孫 毅，梅 博，唐 民

（中國航天宇航元器件工程中心，北京 100029）

宇航用雙極器件和光電耦合器位移損傷試驗研究

李 錚，于慶奎，羅 磊，孫 毅，梅 博，唐 民

（中國航天宇航元器件工程中心，北京 100029）

文章針對器件的位移損傷效應(yīng)，利用質(zhì)子加速器產(chǎn)生的質(zhì)子及反應(yīng)堆中子對化合物器件和硅器件位移損傷進行試驗研究，得到了GaAs光電耦合器的電流傳輸比（CTR）和硅晶體管電流增益hFE的退化率隨等效劑量的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明，在質(zhì)子70 MeV以上高能量范圍，對于硅器件適用的位移損傷等效原理對于GaAs化合物器件則不再適用，需要修正。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，給出了經(jīng)驗的修正系數(shù)。

雙極器件；光電耦合器；輻射效應(yīng)；位移損傷；等效劑量；試驗研究

0 引言

空間輻射會導(dǎo)致航天器電子系統(tǒng)用元器件性能退化，甚至失效。元器件空間輻射效應(yīng)包括電離總劑量效應(yīng)、單粒子效應(yīng)和位移損傷效應(yīng)。和電離總劑量效應(yīng)一樣，位移損傷效應(yīng)屬于累積效應(yīng)。國內(nèi)外研究表明，位移損傷效應(yīng)和電離總劑量效應(yīng)共同作用會導(dǎo)致雙極器件和光電器件性能下降，甚至失效。位移損傷效應(yīng)會引起雙極器件電流增益下降，發(fā)光管發(fā)光功率下降，光電耦合器電流傳輸比下降，CCD電荷轉(zhuǎn)移效率下降、暗信號增強等。

航天器空間粒子輻射環(huán)境由帶能量的電子、質(zhì)子和少量的高能重離子構(gòu)成。航天器內(nèi)部器件的位移損傷主要是質(zhì)子引起的?？臻g質(zhì)子的能量范圍在0.1～400 MeV，在地面實驗室難以模擬出真實的空間輻射環(huán)境。國內(nèi)外通過大量理論和試驗研究[1-3]，針對空間連續(xù)譜粒子的位移損傷地面評估需求，提出了位移損傷等效試驗評估方法。通過應(yīng)用該方法，可將空間環(huán)境中復(fù)雜的高能粒子能譜轉(zhuǎn)換為單一能量粒子的注量或劑量，進而可以通過地面單能加速器試驗的方法對位移損傷效應(yīng)進行評估。

目前國內(nèi)外對位移損傷等效試驗評估法是否適用于所有器件還缺乏足夠研究[4]。已開展的質(zhì)子試驗研究[5-8]中，能量主要集中于10 MeV以下，大于70 MeV的高能質(zhì)子試驗數(shù)據(jù)不多。本文以化合物器件光電耦合器、硅雙極晶體管為對象，利用質(zhì)子加速器產(chǎn)生的質(zhì)子及反應(yīng)堆中子進行試驗，對化合物器件和硅器件位移損傷規(guī)律進行試驗研究，并對位移損傷等效試驗的應(yīng)用條件進行分析。

1 位移損傷等效試驗方法

輻射粒子產(chǎn)生位移損傷的能力用非電離能損（NIEL）表征，其含義是入射粒子通過非電離方式在單位距離內(nèi)傳遞給晶格的能量。

空間連續(xù)譜質(zhì)子位移損傷劑量由

計算得到，式中：E為質(zhì)子能量；f(E)為空間質(zhì)子微分能譜；Emax和Emin分別為空間質(zhì)子最大能量和最小能量。

對連續(xù)譜空間質(zhì)子產(chǎn)生的位移損傷，在地面實驗室采用一種能量的粒子進行模擬試驗，試驗用粒子等效注量為

式中Eeff為試驗用粒子的能量。

從式(1)～(2)可以看到，為了應(yīng)用位移損傷等效試驗方法，需要知道不同種類、能量的粒子在器件材料中的非電離能損值，本文使用的非電離能損數(shù)據(jù)引自文獻[9-11]。

2 輻照試驗

2.1 試驗樣品

試驗樣品包括光電耦合器GH302和NPN型硅小功率開關(guān)晶體管F2N2222A，具體信息見表1。

表1 試驗樣品信息Table 1 Information of the experimental samples

GH302由 GaAlAs發(fā)光管和硅光敏晶體管構(gòu)成。試驗樣品未開帽進行輻照。

對于F2N2222A，為了減少封裝材料對質(zhì)子能量的衰減作用，試驗前，樣品均開帽、露出芯片。

2.2 輻射源

輻射源為加速器產(chǎn)生的高能質(zhì)子和反應(yīng)堆中子。質(zhì)子輻照試驗在瑞士PSI（Paul Scherrer Institute）高能質(zhì)子加速器和淄博萬杰醫(yī)院質(zhì)子輻照源上進行。PSI加速器的質(zhì)子能量在70～250 MeV之間連續(xù)可調(diào)。采用降能片可獲得能量低于70 MeV的質(zhì)子。淄博萬杰醫(yī)院質(zhì)子輻照源的質(zhì)子能量在191～230 MeV范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，采用降能片獲得能量低于191 MeV的質(zhì)子。通過加準(zhǔn)直孔獲得所需的輻照束流區(qū)域，試驗用束流直徑為3 cm。質(zhì)子的注量率在1×106～5×109p/(cm2·s)范圍內(nèi)可調(diào)。試驗用質(zhì)子能量較高，在大氣環(huán)境中的射程足夠長，因此，輻照試驗可在大氣環(huán)境中進行。

中子輻照試驗在西北核技術(shù)研究所中子反應(yīng)堆進行。中子等效能量1 MeV。試驗過程中，中子的注量率為4.3×107n/(cm2·s)。

2.3 電參數(shù)測量方法

采用移位法對輻照前后的樣品電參數(shù)進行測量。測量的電參數(shù)及條件按照產(chǎn)品詳細規(guī)范規(guī)定。GH302電參數(shù)測量采用 Tektronix-370A可編程圖示儀。F2N222A電參數(shù)測量采用專用半導(dǎo)體分立器件測試系統(tǒng)。

2.4 試驗結(jié)果

1）GH302質(zhì)子和中子輻照試驗

在加速器上進行質(zhì)子輻照試驗，試驗樣品分為2組，每組5只，質(zhì)子能量分別為70 和191 MeV，輻照前、后測量光耦GH302的電流傳輸比CTR（測試條件IF=2 mA、Vce=10 V）。

輻照后CTR的退化率為

其中：CTR0為輻照前測量數(shù)據(jù)；CTR為輻照后測量數(shù)據(jù)。

光耦GH302的CTR退化率隨入射質(zhì)子注量的變化情況見表2。

表2 光耦GH302的CTR退化率隨不同能量入射質(zhì)子注量的變化Table 2 CRT degeneration rate vs.proton fluence and energy for GH302 optocoupler

從表2可見，在質(zhì)子能量不變的情況下，CTR退化率隨注量的增加而增大；CTR退化程度與質(zhì)子能量有關(guān)，當(dāng) 191 MeV質(zhì)子注量達到 2.78× 1010p/cm2時，器件CTR退化率仍小于70 MeV質(zhì)子輻照到3.30×109p/cm2注量時的退化率。試驗數(shù)據(jù)表明，輻照到相同注量時，低能質(zhì)子引起的退化率大于高能質(zhì)子的。

選取GH302試驗樣品，在脈沖反應(yīng)堆上進行中子輻照試驗。輻照前后測量 CTR。計算結(jié)果見表3。

表3 光耦GH302的CTR退化率隨等效1 MeV中子注量的變化Table 3 CTR degeneration rate vs.equivalent 1 MeV neutron fluence for GH302 optocoupler

表3數(shù)據(jù)表明，隨中子輻照注量的增加，CTR退化率不斷增加。

2）F2N2222A質(zhì)子輻照試驗

將F2N2222A試驗樣品分成3組，每組3只，分別用191、51、17 MeV質(zhì)子進行輻照試驗，注量率為6×107～2×108p/(cm2·s)。輻照前后測量晶體管電流增益hFE，并計算輻照后電流增益退化率

其中：hFE0為輻照前測量數(shù)據(jù)；hFE為輻照后測量數(shù)據(jù)。

以質(zhì)子注量為1.0×1011p/cm2為例，電流增益退化率與入射質(zhì)子能量的關(guān)系見表4。

表4 F2N2222A在不同能量質(zhì)子輻照后晶體管電流增益退化率Table 4 Current gain degeneration rate of F2N2222A irradiated by proton of different energies

表4數(shù)據(jù)顯示，對于相同的質(zhì)子輻照注量，質(zhì)子能量越低，晶體管電流增益退化率越大。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 GaAs類型的GH302試驗數(shù)據(jù)分析

圖1為 GH302光耦器件在 70 MeV質(zhì)子、191 MeV質(zhì)子和核反應(yīng)堆中子輻照下CTR退化率隨位移損傷劑量變化的擬合結(jié)果。橫軸為利用NIEL折算得到的質(zhì)子位移損傷劑量，縱軸為光耦器件的CTR退化率。

由圖1可見，輻照到相同的位移損傷劑量，70 MeV質(zhì)子引起的器件性能退化大于191 MeV質(zhì)子的。CTR退化率隨位移損傷劑量變化的擬合曲線公式為

其中y1為等效 1 MeV中子的擬合曲線，y2為70 MeV質(zhì)子的擬合曲線，y3為191 MeV質(zhì)子的擬合曲線。

從式(5)～(7)可以發(fā)現(xiàn)，光耦 GH302的性能退化與位移損傷劑量成二次多項式關(guān)系。通過擬合曲線的公式，可以算出當(dāng)位移損傷劑量為 1× 107MeV/g時，70 MeV的質(zhì)子對GH302性能造成的影響是191 MeV質(zhì)子的4.5倍。過去的研究[12-13]表明，對于GaAs等化合物器件，質(zhì)子在50 MeV以上的高能區(qū)，位移損傷等效方法不適用，這與本文試驗結(jié)果相符。

采用基于Geant4的仿真程序計算1～400 MeV質(zhì)子輻照GaAs時缺陷的產(chǎn)生過程。隨質(zhì)子能量增加，此過程中材料的缺陷由點缺陷向缺陷簇轉(zhuǎn)變。同時由庫侖散射效應(yīng)產(chǎn)生的點缺陷大大減少。在高能區(qū)，質(zhì)子在GaAs材料中的NIEL主要由核反應(yīng)產(chǎn)生的次級粒子構(gòu)成。隨入射質(zhì)子能量的增加，材料中缺陷的總數(shù)減少了，但每次入射粒子通過核反應(yīng)產(chǎn)生次級粒子，由于形成缺陷簇，帶來了比點缺陷更多的NIEL，這是導(dǎo)致NIEL曲線在高能區(qū)并未持續(xù)降低的原因。如果器件的性能指標(biāo)受缺陷簇的影響沒有NIEL受缺陷簇的影響大，則NIEL曲線與器件性能退化曲線將不匹配。

3.2 硅類型F2N2222A質(zhì)子輻照數(shù)據(jù)分析

圖2所示為F2N2222A電性能退化與質(zhì)子位移損傷劑量的關(guān)系，橫軸為通過NIEL換算得到的位移損傷劑量，縱軸為器件電流增益退化率。圖中圓圈為試驗點，分別對應(yīng)1.0×1010p/cm2注量下，17、51、191 MeV三種能量質(zhì)子輻照下的電流增益退化率；直線為試驗點的擬合結(jié)果。

圖2中擬合曲線的公式為

由式(8)可見，對于硅器件F2N2222A，其電性能退化與入射粒子在器件中沉積的位移損傷劑量成線性關(guān)系，這與國外文獻中報道的相同注量不同能量的質(zhì)子輻照試驗結(jié)果吻合。可見對于硅器件，不同能量質(zhì)子試驗結(jié)果符合位移損傷等效原理。

根據(jù)試驗獲得的數(shù)據(jù)，可由計算得到的航天器內(nèi)部具體位置位移損傷劑量推算出器件的電參數(shù)退化程度。例如通過計算[14]可獲得GEO下某8年飛行壽命航天器內(nèi)部一處的位移損傷劑量為2.68×108MeV/g，通過在質(zhì)子擬合曲線中取該點，可以得到該條件下 F2N2222A 的性能退化為7.97%。設(shè)計師可據(jù)此進行器件選用和加固設(shè)計。

4 結(jié)論

1）對于GaAs類型GH302，輻照到相同位移損傷劑量，70 MeV質(zhì)子產(chǎn)生的位移損傷大于191 MeV質(zhì)子的，驗證了在質(zhì)子高能量范圍，位移損傷等效評估方法不再適用，需要修正。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，得到70 MeV質(zhì)子的位移損傷約為191 MeV質(zhì)子的4.5倍。

2）對于硅類型 F2N2222A，質(zhì)子的位移損傷等效原理成立。不同能量質(zhì)子輻照，只要最終位移損傷劑量相同，則造成的器件性能退化相同。

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（編輯：馮露漪）

Experimental study on displacement damage of aerospace bipolar and optocoupler devices

LI Zheng, YU Qingkui, LUO Lei, SUN Yi, MEI Bo, TANG Min
(China Aerospace Component Engineering Center, Beijing 100029, China)

To study the displacement damage effects, the proton accelerator and the neutron nuclear reactor are used to determine the displacement damage of compound semiconductor devices and silicon devices used for spacecraft.The curves of the degradation vs.the equivalent dose of the CTE of the GaAs optocpupler and the current amplification(hFE) of the silicon transistors are obtained.By analyzing the radiation test data for the optocoupler and the bipolar transistor, it is concluded that the displacement damage equivalence for the silicon devices is no longer valid for the GaAs compound devices, thus a correction is needed.Empirical correction coefficients are then determined according to the test data.

bipolar device; optocoupler device; radiation effect; displacement damage; equivalent dose; experimental study

TN406

：A

：1673-1379(2017)01-0086-05

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.01.014

李 錚（1990—），男，碩士研究生，研究方向為宇航元器件輻射效應(yīng)；E-mail: lizhengcasc@163.com。指導(dǎo)教師：于慶奎（1964—），男，研究員，研究方向為宇航元器件輻射加固保證；E-mail: yuqingkui@263.net。

2016-05-17；

：2017-02-03

國家自然科學(xué)基金項目（編號：11475256）

李錚,于慶奎,羅磊,等.宇航用雙極器件和光電耦合器位移損傷試驗研究[J].航天器環(huán)境工程，2017，34(1): 86-90

LI Z, YU Q K, LUO L, et al.Experimental study on displacement damage of aerospace bipolar and optocoupler devices[J].Spacecraft Environment Engineering, 2017, 34(1): 86-90