您好, 歡迎來到化工儀器網(wǎng)
脈沖激光模擬瞬態(tài)劑量率效應(yīng)的應(yīng)用及特點
閱讀：555 發(fā)布時間：2021-4-16
摘要：在前面的推送中，“小抗”說到了脈沖激光是“SEE評估兵器”中的“柳葉刀”，主要是由于脈沖激光能夠模擬出與重離子在半導(dǎo)體器件輸出端相近的SEE電學(xué)特征，因而在SEE的試驗研究上能起到很大作用。那么脈沖激光除了能夠在SEE模擬上有很好的應(yīng)用，在其他地方是否也能大顯身手呢？“小抗”結(jié)合我們前期開展的一些工作，來給大家介紹一下脈沖激光在模擬瞬態(tài)劑量率效應(yīng)的應(yīng)用及其特點。
1.背景介紹
提到瞬態(tài)劑量率效應(yīng)，就不得不說γ射線，γ射線是原子核能級躍遷退激時釋放出的一種波長短于0.01埃(1埃=0.1納米)的電磁波，具有很強的穿透力，γ射線穿過物質(zhì)時會與物質(zhì)原子相互作用，發(fā)生光電效應(yīng)，康普頓效應(yīng)，電子對效應(yīng)。當(dāng)半導(dǎo)體器件和電路處于瞬間高劑量γ射線的輻射環(huán)境中時，會通過以上三種效應(yīng)產(chǎn)生電子空穴對，從而形成光電流。(如圖1所示，當(dāng)穿過的物質(zhì)材料和γ射線的光子能量不同，其占據(jù)主導(dǎo)的效應(yīng)也有所不同。)瞬態(tài)光電流又會在電路當(dāng)中引發(fā)瞬態(tài)劑量率擾動、瞬態(tài)劑量率閂鎖、瞬態(tài)劑量率翻轉(zhuǎn)和瞬態(tài)劑量率燒毀等多種危害，這就是瞬態(tài)劑量率效應(yīng)，又稱瞬時γ電離輻射效應(yīng)。
模擬高劑量率的γ射線輻射環(huán)境，主要應(yīng)用的模擬源有兩類：工作于光子模式的閃光X射線機(FXR)和工作于電子模式的直線加速器(LINAC)。上世紀八十年代開始，有國外專家提出了使用脈沖激光來進行模擬實驗，并從理論上論證了脈沖激光模擬的可行性，之后國內(nèi)外逐漸開始嘗試用脈沖激光開展一些相關(guān)試驗研究，脈沖激光模擬成為一種有效的研究手段。
2.裝置介紹
激光模擬瞬態(tài)劑量率效應(yīng)裝置上，由于瞬態(tài)劑量率效應(yīng)是瞬間高劑量的γ射線與半導(dǎo)體材料發(fā)生相互作用產(chǎn)生瞬態(tài)光電流，從而引發(fā)后續(xù)的器件和電路損傷，首先要解決的是，要能夠模擬很高的劑量率，這就需要激光能量足夠高，同時需要考慮到瞬間高劑量的一個脈寬，因而選擇了一款能量達焦耳級的納秒激光器作為輸出源。另外我們還需要對光路進行設(shè)計，使激光光斑能夠*覆蓋芯片，從而盡可能的模擬出器件和電路處于γ射線的輻射環(huán)境產(chǎn)生的影響。我們通過對激光光束的調(diào)節(jié)和控制，通過測算獲得一個重要的參數(shù)—光功率密度，通過調(diào)節(jié)光功率密度來模擬不同劑量率的伽馬輻射環(huán)境。(圖2是激光模擬瞬態(tài)劑量率裝置實物圖。)
3.初步開展的工作
目前我們已經(jīng)開展了激光模擬瞬態(tài)劑量率的瞬態(tài)、閂鎖和翻轉(zhuǎn)試驗，初步開展了一些激光模擬與閃光加速器的對比試驗。下圖分別是關(guān)于瞬態(tài)劑量率瞬態(tài)的激光模擬試驗和閃光加速器試驗的結(jié)果圖，從采集瞬態(tài)波形可以看出，兩者的脈寬幅值較為一致，同時瞬態(tài)波形的脈寬變化也呈現(xiàn)相同趨勢，激光模擬試驗的電磁干擾更少。
針對CMOS工藝器件我們開展了瞬態(tài)劑量率閂鎖試驗，分別開展激光模擬試驗和閃光加速器試驗，試驗結(jié)果如下表所示。
除此之外，我們還利用激光的優(yōu)勢，開展了一些瞬態(tài)劑量率翻轉(zhuǎn)試驗和閂鎖電流試驗，并得到了一些有意思的試驗結(jié)果：翻轉(zhuǎn)數(shù)隨著光功率密度增大反而減??；閂鎖電流隨光功率密度增大，有一個先減小后恢復(fù)的過程。
翻轉(zhuǎn)數(shù)隨著光功率密度增大反而減小
閂鎖電流隨光功率密度增大
后續(xù)我們會利用激光試驗的優(yōu)勢，開展更多相關(guān)的研究，同時也會進一步完善激光模擬試驗的相關(guān)試驗技術(shù)和試驗方法。
3.脈沖激光模擬的優(yōu)勢
相對于閃光X射線機和直線加速器，脈沖激光模擬有以下三個方面優(yōu)勢：
激光脈沖輻照參數(shù)可調(diào)
光強、脈寬、重頻和束斑等激光輻照參數(shù)可控且易于調(diào)節(jié)，更能準(zhǔn)確地測得器件發(fā)生位翻轉(zhuǎn)、邏輯錯誤、閂鎖、瞬態(tài)電壓電流脈沖等器件響應(yīng)特征，且具備很好的敏感區(qū)域定位優(yōu)勢，既可以定位具體靈敏單元，又可以進行全芯片覆蓋的系統(tǒng)研究；使設(shè)計者在設(shè)計過程各個階段都能進行γ輻射環(huán)境的抗輻照能力評估，可加快加固集成電路研制過程，降低了設(shè)計風(fēng)險。
試驗測試環(huán)境干擾少
避免了大量的寄生電磁閃爍現(xiàn)象，使得在線測試獲取劑量率效應(yīng)特征更加方便可行。激光試驗幾乎無干擾，非常適用于準(zhǔn)確的集成電路劑量率效應(yīng)機理研究；無總劑量的累積效應(yīng)影響，便于提取瞬時劑量率單一效應(yīng)的電學(xué)試驗特征信息，更利于研究瞬時劑量率效應(yīng)在集成電路中的產(chǎn)生機理。
試驗設(shè)計成本低
試驗時間短、效率高，可大量減少器件瞬態(tài)劑量率效應(yīng)試驗對加速器試驗機時的占用。
小結(jié)
脈沖激光模擬手段有著激光脈沖輻照參數(shù)可調(diào)、試驗測試環(huán)境干擾少、試驗設(shè)計成本低天然優(yōu)勢，在研究瞬態(tài)劑量率效應(yīng)方面大有可為，試驗技術(shù)和試驗方法上還有些許不足，需要加強完善。“小抗”期待同行專家能多提寶貴意見，共同助力脈沖激光在瞬態(tài)劑量率效應(yīng)上的應(yīng)用與發(fā)展，希望脈沖激光模擬瞬態(tài)劑量率效應(yīng)能有重大進展，也希望脈沖激光能運用在更多的地方，發(fā)揮出更大的作用。