Comprendere l'ambiente di radiazione spaziale

L'ambiente spaziale presenta un flusso costante di radiazioni ionizzanti e non ionizzanti che pone gravi minacce ai dispositivi semiconduttori. Questa radiazione proviene da tre fonti primarie: particelle intrappolate nelle cinghie di Van Allen, eventi di particelle solari da razzi solari e e espulsioni di massa coronale, e raggi cosmici galattici dall'esterno del sistema solare.

Gli effetti indotti dalle radiazioni sui semiconduttori sono classificati in tre meccanismi principali: dose totale ionizzante (TID), danno di spostamento (DD), e effetti a singolo evento (SEE).

Per esempio, l'indurimento TID è fondamentale per la logica digitale CMOS in orbita bassa e bassa, mentre l'indurimento di SEE domina le considerazioni per le memorie sensibili e per i MOSFET di potenza in missioni spaziali profonde. Il danno di spostamento è particolarmente rilevante per l'ottimizzazione delle prestazioni, come i sensori di immagine CMOS e le celle solari, e per i dispositivi lineari bipolari.

Strategie chiave per l'indurimento delle radiazioni

Selezione dei materiali e Ingegneria Substrate

I sistemi di distribuzione di energia elettrica (LTT) e dislocazione (STM) sono più resistenti e possono essere utilizzati per la loro resistenza [STM:0].

Gli strati epitassiali progettati con profili dopanti controllati e densità di difetto possono ridurre ulteriormente la suscettibilità ai danni. Ad esempio, utilizzando uno strato epitassiale sottile su un substrato fortemente dopante minimizza il volume della regione di esaurimento, limitando la carica raccolta da scioperi ioni.

Geometria e tecniche di layout del dispositivo

I singoli schemi di transistor sono ottimizzati per mitigare sia gli effetti di TID che di SEE. I transistor di estensione chiusi (ELTs), noti anche come irrigatori di ossidi di confine senza bordi o anulari, eliminano le regioni di ossido di cancello sottile lungo il bordo dove i percorsi di dispersione si formano dopo l'esposizione di TID.

Altre strategie di layout includono strutture di distribuzione di corrente e ridurre l'impatto dei danni locali di spostamento, e [LT:2] transistor multi-gate come FinFETs (trasmettitori a effetto campo) che offrono un ridotto volume sensibile e un migliore controllo elettrostatico.

Circuito e Sistema-Level indurimento

I codici di ridistribuzione modulari (TMR) replicano la logica critica tre volte e votano sull'output, in modo che un singolo disturbo in un unico percorso sia mascherato.

[FLT:][FLT]] [FLT:]] [FLT]]] [FLT]]] [FLT]]]] [FLT]] [FLT]]] [FLT]]] [FLT]]] [Flotta] [FLT]] [FLT]] [FLT]]]] [Flotta]]] [Flotta]] [FLT]]]

Avanzamenti nei processi di fabbricazione

Profili di crescita e doping epitassiali

I processi di fabbricazione di rad-hard moderni sfruttano la crescita epitassiale ottimizzata per creare strati con spessore controllato, la concentrazione di doping e la densità di difetto. Gli strati epitassiali riducono il volume della regione di esaurimento sensibile, rendendo i vettori meno probabili essere raccolti da uno sciopero di ioni.

Silicon-on-Insulator (SOI) e Silicon-on-Sapphire (SOS)

La tecnologia SOI è diventata una pietra angolare di ASIC rad-hard per lo spazio. Produrre transistor su un sottile film di silicio separato dal wafer della maniglia da un ossido sepolto, il volume sensibile per la raccolta di carica è drasticamente ridotto.

Lavorazione specializzata per semiconduttori a larga portata

I dispositivi di protezione contro i disturbi del gas sono insiti a causa di un'attenta gestione dei difetti di cristallo e della qualità dell'interfaccia. I dispositivi di protezione anti-rumore sono sempre più utilizzati per la gestione dei gas disazione.

Test e qualificazione dei semiconduttori Rad-Hard

Test di dosaggio totale (TID)

Le classi di misurazione e di controllo sono conformi a criteri quali MIL-STD-883 Metodo 1019 o ESA/SCC Basic Specification n. 22900. Il test TID prevede l'esposizione di dispositivi a una sorgente di radiazioni gamma, in genere Cobalt-60, ad un tasso di dose controllato spesso tra 10 e 300 rad(Si)/s.

Effetti da Singolo Avvento (SEE) Testing

I test di misurazione sono condotti in caso di acceleratori di particelle (ciclotroni o acceleratori lineari) che generano ioni con valori specifici di trasferimento di energia lineare (LET).

Standard e certificazioni del settore

Diversi gruppi di componenti rad-hard convalidati sono disponibili attraverso standard quali MIL-PRF-38535 (Classe V)] per QML (elenco dei produttori qualificati) IC ad alta affidabilità, e SEDE (European Space Components Coordination) caratteristiche di lotto per le missioni europee.

Tecnologie attuali e offerte commerciali

Microcontrollori e processori Rad-Hard

I produttori offrono i microcontrollori e i processori di ricerca BAE Systems RAD750], basati sull'architettura PowerPC, sono una scelta popolare per il comando satellitare e la gestione dei dati.

Rad-Hard FPGAs e memoria non volatile

Microsemi (ora Microchip) RTG4 è un guadagno basato su flash FPGA a 100 krad TID e immune a singolo evento latch-up.

Elettronica di potenza Rad-Hard con SiC e GaN

I dispositivi a banda larga stanno sostituendo i tradizionali sistemi di propulsione a silicio MOSFET e IGBT nei convertitori di potenza ad alta efficienza. SiC MOSFETs da Cree/Wolf

Sfide e direzioni future

Bilanciamento delle prestazioni, potenza e costi

I nodi di processo di denser (ad esempio, 7 nm, 5 nm) offrono vantaggi di velocità e integrazione, ma richiedono un'attenta indurimento di ossidi di cancello e una riduzione delle tensioni di approvvigionamento. La libreria cellulare deve essere indurita con trasmettitori e anelli di protezione allargati, aumentando l'area e il costo.

Nuovi materiali e integrazione eterogenea

La ricerca futura esplora i semiconduttori didiamond per la loro estrema conducibilità termica e la resistenza ai danni di spostamento, anche se la fabbricazione di wafer di diamanti monocristallini rimane impegnativa 2 materiali metallici come il disolfuro di molibdeno (MoS2) e il grafo sono studiati per la scalabilità atomica

Schermatura integrata e auto-riscaldamento

Le tecniche di schermatura locali, che si estendono al di là del pacchetto, sono invece indurite, come ad esempio, tungsten o scudi d'oro modellati sul circuito die o sull'interposer attenuano il flusso di carica pesante e protone.

Imparare la macchina in Rad-Hard Design

I modelli di apprendimento automatico formati su dati di test di radiazione estesi sono utilizzati per prevedere la risposta di nuovi progetti di dispositivo senza costosi ondulazioni e viaggi di acceleratore. I surrogate di rete neurali possono accelerare le simulazioni di TCAD di fenomeni SEU e TID, consentendo l'esplorazione dello spazio di progettazione.

Conclusioni

Progettare semiconduttori per una maggiore durezza delle radiazioni è una disciplina di ingegneria multiforme che abbraccia la scienza materiale, la fisica dei dispositivi, l'architettura dei circuiti e i test di qualificazione. La domanda incessante di una maggiore produttività dei dati, una maggiore durata della missione e un ridotto consumo energetico spinge l'innovazione sia nei componenti commerciali che nei componenti dedicati rad-hard.