Проектирование полупроводников для повышения радиационной жесткости в космических приложениях
Понимание космической радиационной среды
Космическая среда представляет собой постоянный поток ионизирующего и неионизирующего излучения, который представляет серьезную угрозу для полупроводниковых устройств. Это излучение исходит из трех первичных источников: захваченных частиц в поясах Ван Аллена, событий солнечных частиц от солнечных вспышек и корональных выбросов массы и галактических космических лучей извне Солнечной системы. Каждый источник вносит различную смесь энергетических протонов, электронов, альфа-частиц и тяжелых ионов. Для полупроводниковых схем кумулятивный ущерб и мгновенные возмущения от этих частиц могут ухудшить производительность или вызвать катастрофический сбой. Инженеры должны проектировать радиационно закаленные (радио-твердые) полупроводники, которые могут выживать в течение многих лет воздействия при сохранении определенных электрических параметров.
Воздействие излучения на полупроводники подразделяется на три основных механизма: суммарная ионизирующая доза (TID), повреждение смещения (DD) и эффекты одномерного события (SEE). TID является результатом накопления ионизирующей энергии, которая создает захваченный заряд в изоляционных слоях и состояниях интерфейса, что приводит к сдвигам порогового напряжения, увеличению токов утечки и снижению подвижности носителя. DD, также называемая неионизирующей потерей энергии, вытесняет атомы из их решетчатых положений, создавая дефекты, которые ухудшают срок службы миноритарного носителя и увеличивают сопротивление последовательностей в биполярных и переходных устройствах. SEE возникают, когда один энергетический отложения частиц достаточного заряда, чтобы вызвать переходные расстройства (расстройства одного события), защелкивание или даже постоянное повреждение (выгорание одного события или разрыв затвора).
Тщательное понимание этих эффектов имеет важное значение для выбора соответствующих подходов к закалке. Например, закалка TID имеет решающее значение для цифровой логики CMOS на низкой околоземной орбите, в то время как закалка SEE доминирует над соображениями для чувствительных воспоминаний и силовых MOSFET в миссиях в глубоком космосе. Повреждение от перемещения особенно актуально для оптоэлектроники, таких как датчики изображения CMOS и солнечные элементы, а также для биполярных линейных устройств. Определяя ожидаемую дозу излучения и поток частиц для данной миссии, дизайнеры устанавливают требования к закалке, которые уравновешивают надежность с ограничениями стоимости, мощности и производительности.
Ключевые стратегии радиационного закаливания
Выбор материалов и инженерия субстратов
Внутренняя радиационная толерантность полупроводниковых материалов широко варьируется. Традиционный объемный кремний восприимчив как к TID, так и к повреждению смещения, но передовые варианты подложек могут значительно повысить устойчивость. Технология кремниевых изоляторов (SOI) использует закопанный слой оксида для изоляции активной кремниевой пленки от объемного подложки, уменьшая чувствительный объем, где заряд собирается от ионизирующих событий. Силиконовый карбид (SiC) и нитрид галлия (GaN) являются полупроводниками с широким диапазоном пропускания с высокой пороговой энергией смещения, что означает, что они также требуют более энергичных частиц для создания повреждения решетки. Эти материалы также предлагают высокую критическую напряженность электрического поля и отличную теплопроводность, что делает их идеальными для конверсионных схем преобразования энергии, подвергающихся воздействию высоких уровней излучения. кремниевый гетероконъю
Эпитаксиальные слои, спроектированные с контролируемыми допинговыми профилями и плотностью дефектов, могут дополнительно снижать восприимчивость к повреждениям. Например, использование тонкого эпитаксиального слоя над сильно легированной подложкой минимизирует объем области истощения, ограничивая заряд, собранный от ионных ударов. Аналогично, рост эпитаксиальных слоев на подложках с согласованными константами решетки снижает начальную плотность дислокации, которая в противном случае служит местами для накопления дефектов, вызванных излучением. Чистота материала и пассивация дефектов, такие как отжига водорода, также играют роль в продлении срока службы устройства под излучением.
Геометрия и методы слоёвки устройств
Отдельные транзисторные схемы оптимизированы для смягчения как эффектов TID, так и эффектов SEE. Замкнутые транзисторы (ELTs), также известные как безрамочные или кольцевые оксидные области затвора по краю, где пути утечки образуются после воздействия TID. Путем формирования затвора так, что прямой оксидный край не пересекает активный канал, ELTs предотвращают создание паразитических краевых транзисторов, которые вызывают повышенную утечку за пределами состояния. Этот подход широко используется в цифровых и аналоговых радарных ASIC, изготовленных на зрелых процессах CMOS. Защитные кольца представляют собой p+ или n+ легированные кольца, размещенные вокруг NMOS или PMOS транзисторов для сбора миноритарных носителей, генерируемых ионными ударами, предотвращая их от расстраивания соседних цепей.N+ защитные кольца
Другие стратегии компоновки включают в себя оцифрованные структуры исходного дренажа, которые распределяют ток-пути и уменьшают воздействие локального повреждения смещения, и многоразовые транзисторы, такие как FinFETs (транзисторы с эффектом поля в шинах), которые предлагают уменьшенный чувствительный объем и лучшее электростатическое управление. Использование избыточных узлов в критических аналоговых схемах и субстратных контактов для поглощения избыточного заряда также являются обычными практиками. Эти методы компоновки не требуют экзотических материалов и могут быть реализованы в обычных литейных цехах CMOS с модификациями правил проектирования, что делает их экономически эффективными для многих космических применений.
Закаливание на уровне системы и схемы
Помимо отдельных устройств, схемы схем и схемы смягчения ошибок повышают общую надежность системы. Три модульных избыточности (TMR) повторяет критическую логику три раза и голоса на выходе, так что один распад в одном пути маскируется. TMR является стандартным в rad-hard поле-программируемых ворот массивов (FPGA) и контроллеров государственных машин. Коды коррекции ошибок (ECC) встроены в блоки памяти, часто однократная коррекция двойной ошибки обнаружения (SECDED) или более продвинутые коды, для восстановления битовых переключений в SRAM, регистрах и кэше. Кольца защиты и депарационных конденсаторов в узлах питания подавляют переходные всплески напряжения от токов, индуцированных ионами.
Аналоговые и смешанные сигнальные схемы используют логику тока вместо логики режима напряжения, чтобы уменьшить эффект одномерных переходных процессов, поскольку токи менее восприимчивы к впрыску заряда, чем узлы высокого давления.Самоослабляющиеся архитектуры и в эталонных схемах поддерживают производительность, несмотря на сдвиги параметров, индуцированных TID.избыточные и трипликатные сенсорные каналы в приборостроении позволяют большинству голосов отклонять выбросы от одномерных переходных процессов.экранирующие банки и конденсаторы обеспечивают дополнительную защиту от защелкивания и помех подачи. Комбинирование устройств, схем и системных методов позволяет надежно работать в широком диапазоне потоков частиц и накопленных доз.
Достижения в производственных процессах
Эпитаксиальный рост и допинг-профили
Современные процессы изготовления радарной твердости используют оптимизированный эпитаксиальный рост для создания слоев с контролируемой толщиной, концентрацией допинга и плотностью дефектов. Эпитаксиальные слои уменьшают объем чувствительной области истощения, делая носители менее вероятными для сбора ионным ударом. Для биполярных устройств точно градуированные допинг-профили в основании и коллекторе улучшают стабильность усиления после повреждения смещения. Для CMOS ретроградный допинг скважины - где пиковая концентрация допанта расположена ниже поверхности - создает поле, которое смещает ионно-генерируемый заряд от чувствительных переходов, смягчая одномерные расстройства. Эти методы в паре с диэлектриками оксинитридных ворот и , которые подавляют захват дырок в стеке ворот, поддерживая стабильность порогового напряжения после высоких суммарных доз.
Кремний-на-изоляторе (SOI) и кремний-на-Сапфире (SOS)
Технология SOI стала краеугольным камнем rad-hard ASIC для пространства. Производя транзисторы на тонкой кремниевой пленке, отделенной от рулевой пластины оксидом, чувствительный объем для сбора заряда резко снижается. Это ограничение минимизирует одномерные расстроенные поперечные сечения на порядки по сравнению с объемным кремнием. В частично обедненный SOI (PD-SOI) , кремниевая пленка достаточно толстая, чтобы поддерживать плавающее тело, но тщательные контакты тела и методы компоновки подавляют паразитарную биполярную проводимость. Полностью истощенная SOI (FD-SOI) использует еще более тонкую пленку для лучшего электростатического управления и даже более низкую чувствительность SEE. Silicon-on-sapphire (SOS) , более старый, но все еще используемый вариант, использует изоляционную сапфировую подложку,
Специализированная обработка для широкоразмерных полупроводников
Изготовление устройств SiC и GaN для rad-hard приложений требует тщательного контроля дефектов кристаллов и качества интерфейса. SiC MOSFETs производятся с помощью эпитаксиального роста слоев SiC и высокотемпературного окисления для формирования надежного оксида затвора. Качество оксида имеет решающее значение, потому что в TID-эффектах в SiC преобладает улавливание заряда на интерфейсе оксид-полупроводник. Исследователи улучшили это, используя отжига оксида азота (NO) после окисления, что снижает плотность улавливания интерфейса. Для транзисторов с высокой электронной подвижностью (HEMT) двумерный электронный газ (2DEG) на интерфейсе AlGaN / GaN по своей сути устойчив к повреждению смещения, потому что он полагается на допинг поляризации, а не на допинг примесей. Однако целостность затвора Schottky при облучении протонов и смягчении коллапса тока являются постоянными проблемами.
Тестирование и квалификация полупроводников с высокой интенсивностью
Тестирование полной ионизирующей дозы (TID)
Квалификация полупроводника для пространства требует тщательного тестирования в соответствии со стандартами, такими как MIL-STD-883 Method 1019 или ESA/SCC Basic Specification No. 22900. Тестирование TID включает в себя воздействие устройств на источник гамма-излучения, обычно Cobalt-60, с контролируемой скоростью дозы часто от 10 до 300 рад (Si) / с. Для чувствительности с низкой скоростью дозы выполняются дополнительные испытания на фракции рада в секунду для линейных биполярных схем. Ключевые параметры - пороговое напряжение, ток утечки, ток привода, коэффициент усиления и частота осциллятора - измеряются до, во время и после облучения с помощью шагов отжига для оценки восстановления. Испытательная среда включает условия смещения, представляющие фактическую работу (например, статическое или динамическое смещение). Соблюдение указанной общей дозы (например, 100 крад или 1 Мрад) требуется для различных классов миссий.
Тестирование эффектов однократного события (SEE)
Испытания на ЭКОСОС проводятся на ускорителях частиц (циклотронах или линейных ускорителях), которые генерируют ионы со специфическими значениями линейного переноса энергии (LET). В лучах тяжелых ионов используются такие виды, как криптон, ксенон или аргон, при различных энергиях для смещения LET от фракций MeV·cm2/mg до 100 и более. Цель состоит в том, чтобы измерить расстроенное поперечное сечение (события на бегу) в качестве функции LET, устанавливая пороговое LET для расстроений и поперечного сечения насыщения. Для защелки контролируется текущий предел источника питания, и включаются испытания при выгорании при высокой температуре или при повышенном смещении в худших случаях. Для одномерного выгорания и разрыва затвора проверяются мощности MOSFET и IGBT при их номинальном блокировочном напряжении при бомбардировке ионами высокой энергии. Критерии квалификационного пропуска обычно не указывают никаких разрушительных событий и максимальной скорости распадов, учитывая среду миссии.
Отраслевые стандарты и сертификации
Несколько семейств проверенных компонентов радарного типа доступны через стандарты, такие как MIL-PRF-38535 (класс V) для высоконадежных IC QML (Квалифицированный список производителей) и ESCC (Европейская координация космических компонентов) спецификации для европейских миссий. Производители следят за строгими уведомлениями об изменениях процесса и отслеживаемости лотов. Для коммерческих готовых (COTS) компонентов, используемых в более коротких миссиях на низкой околоземной орбите, распространены дополнительные испытания TID и SEE в соответствии со стандартами JEDEC (JESD57, JESD89) . Однако части COTS могут демонстрировать широкие вариации и восприимчивость к катастрофическим SEE, поэтому оценка риска с критериями принятия всегда выполняется.
Современные технологии и коммерческие предложения
Радио-твердые микроконтроллеры и процессоры
Несколько поставщиков предлагают радарные микроконтроллеры и процессоры, разработанные специально для космоса. BAE Systems RAD750, основанные на архитектуре PowerPC, являются популярным выбором для спутниковой команды и обработки данных. Он изготовлен на 0,15 мкм SOI-процессе и рассчитан на выживание 200 крад (Si) TID и тяжело-ионный LET > 60. Более новый RAD5545 многоядерный процессор предлагает более высокую производительность. В Европе процессор Leon4FT от Cobham Gaisler, реализованный на радарных и отказоустойчивых конструкциях, обеспечивает альтернативу. Для более дешевых миссий по-прежнему используется ERC32 на основе SPARC V8. Эти процессоры включают в себя инструкции и кэши данных, защищенные ECC, и часто включают в себя сторожевые таймеры и блоки
Радио-тяжелые FPGA и нелетучая память
Полевые программируемые затворные массивы обеспечивают гибкость для реконфигурации на орбите. Microsemi (теперь Microchip) RTG4 является флэш-памятью на основе FPGA с рейтингом 100 крад TID и иммунитетом к одномерной защелке. Он использует флэш-ячейки с разделенным каналом и встроенную SRAM с EDAC. Для более высокой производительности Kintex UltraScale XQRKU060 (теперь AMD) Kintex UltraScale XQRKU060 представляет собой FPGA на основе SRAM с 20 нм конфигурацией, закаленную SEU флип-флопс и переносит > 100 крад. Нелетучие закаленные излучением воспоминания, такие как MRAM (магниторезистивная RAM) и FRAM (ферроэлектрическая RAM) [
Rad-Hard Power Electronics с поддержкой SiC и GaN
Широкополосные устройства заменяют традиционные кремниевые силовые MOSFET и IGBT в высокоэффективных преобразователях мощности. SiC MOSFETs от Cree/Wolfspeed и GeneSiC коммерчески доступны с напряжением пробоя от 650 В до 1,7 кВ и номинальным током до нескольких сотен ампер. Они были продемонстрированы, чтобы выдерживать TID > 1 Mrad и тяжелый ионный LET > 80, что делает их пригодными для регулирования шины и электрической тяги. GaN HEMTs от таких компаний, как EPC (Эффективная конверсия мощности) и Transphorm используются в низковольтных (< 200 В) преобразователях dc-dc с превосходной скоростью переключения и эффективностью. Их толерантность к излучению улучшается с правильной упаковкой и дизайном шлюза, а текущие квалификационные программы расширяют их использование до более
Проблемы и будущие направления
Баланс производительности, мощности и стоимости
Одной из основных проблем в разработке rad-hard полупроводников является достижение высокой производительности без ущерба для энергоэффективности или завышения стоимости. Узлы процесса денсера (например, 7 нм, 5 нм) предлагают преимущества скорости и интеграции, но требуют тщательного затвердевания тонких оксидов затвора и снижения напряжения питания. Библиотека ячеек должна быть затвердеть с увеличенными транзисторами и защитными кольцами, увеличивая площадь и стоимость. Кроме того, сложная избыточность (TMR) снижает эффективную логическую плотность. Достижения в автоматизации проектирования для rad-hard схем - включая автоматизированное размещение и маршрутизацию с учетом SEU - помогают оптимизировать компромиссы. Для коммерческих созвездий стоимость полностью rad-hard ASIC может быть непомерно высокой, что приводит к использованию экранированных COTS с аппаратным и программным смягчением.
Новые материалы и гетерогенная интеграция
Будущие исследования исследуют алмазные полупроводники для их экстремальной теплопроводности и сопротивления повреждениям смещения, хотя изготовление монокристаллических алмазных пластин остается сложной задачей. 2D-материалы , такие как дисульфид молибдена (MoS2) и графен, изучаются для чувствительных к атомному масштабу объемов и присущей им радиационной твердости, но практические устройства требуют масштабируемого роста и контактной металлизации. Гетерогенная интеграция сочетает в себе радарные чипы с обычными высокопроизводительными матрицами в одной упаковке, используя интерпозиторы и сквозные кремниевые сквозные материалы. Этот подход позволяет использовать специальную радарную логику для критических функций наряду с памятью высокой плотности или процессорами для некритических задач, оптимизируя надежность и стоимость на системном уровне.
Интегрированное щитование и самоисцеление
Вместо того, чтобы исключительно затвердевать чип, некоторые конструкции встраивают локальные экранирующие слои непосредственно в пакет. Например, вольфрамовые или золотые щиты , узорчатые на кристалле или интерпозиторе, ослабляют тяжелый ионный и протонный поток. активное экранирование с использованием диодов PIN-кода на чипе или детекторов Шоттки для обнаружения ионных ударов и сброса или перенаправления триггера цепи. Самоисцеляющиеся цепи, вдохновленные биологическими системами, включают в себя насосы заряда на чипе, которые удерживают заряд оксида отожжения через локализованное нагревание, или адаптивное смещение, которое компенсирует сдвиги, вызванные TID. Эти методы все еще находятся на стадии исследований, но показывают перспективу продления срока службы миссии за пределы того, что может обеспечить традиционная затвердевание.
Машинное обучение в Rad-Hard Design
Модели машинного обучения, обученные на обширных данных радиационных испытаний, используются для прогнозирования реакции новых конструкций устройств без дорогостоящих забегов пластин и поездок ускорителей. Нейронные сетевые суррогаты могут ускорить моделирование TCAD явлений SEU и TID, что позволяет проектировать освоение космоса. В будущем Генеративные инструменты проектирования могут предлагать оптимизированные транзисторные макеты и топологии схем, которые максимизируют толерантность к излучению при минимизации штрафов за площадь и мощность. В сочетании с автоматизированные потоки затвердевания излучения по конструкции (RHBD) , эти инструменты уменьшат время разработки и стоимость для пользовательских сверхтвердых ASIC.
Заключение
Проектирование полупроводников для повышения радиационной твердости является многогранной инженерной дисциплиной, которая охватывает материаловедение, физику устройств, архитектуру схем и квалификационные испытания. Неустанный спрос на более высокую пропускную способность данных, более длительный срок службы миссии и снижение энергопотребления подталкивает инновации как в коммерческих, так и в специализированных сверхтвердых компонентах. В то время как традиционные методы закалки, такие как SOI, ELT и избыточность, остаются основополагающими, новые материалы, методы интеграции и проектирование с помощью ИИ обещают следующее поколение еще более устойчивой космической электроники. Продолжая совершенствовать эти подходы, аэрокосмическая промышленность гарантирует, что спутники, зонды глубокого космоса и космические аппараты с экипажем работают надежно в самых сложных радиационных средах, позволяя человечеству исследовать и извлекать выгоду из космического рубежа на десятилетия вперед.