Ионизирующие излучения и их воздействие на полупроводниковые материалы (по данным литературных источников). Часть 2

Автор: к.т.н. Сергей Кравчук, д.т.н. Владимир Соколов, к.т.н. Михаил Марченко, к.т.н. Оксана Вовк МОКБ «Марс» – филиал ФГУП «ВНИИА», государственная корпорация по атомной энергии «Росатом»

Материал опубликован в журнале СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА № 6/2022

В связи с возрастающими требованиями к точности прогнозирования работоспособности космических аппаратов, срокам их функционирования и бессбойной работе целесообразно ещё раз рассмотреть современную точку зрения на воздействие дестабилизирующих факторов космического пространства на радиоэлектронную аппаратуру.

Для правильного понимания существа проблемы необходимо учитывать следующие факты.

Во-первых, в реальных условиях эксплуатации космические аппараты функционируют продолжительное время, подвергаясь воздей­ствию ионизирующих излучений космического пространства [1], иногда при сопут­ствующем влиянии пониженных или повышенных температур. То есть доза ионизирующих излучений, соответствующая группам стойкости, регламентируемым государственными стандартами, в реальных условиях функционирования аппаратуры набирается в течение всего срока функционирования космического аппарата. А на моделирующих установках эти дозы набираются за непродолжительное время.

Плотность галактического излучения (1–2 част/см²×с) при энергии частиц 10⁸…10²º эВ, плотность потока частиц солнечного излучения составляет до 10⁶ част/(см²×с) при их энергии до 10⁷ эВ [1].

Так как вся совокупность ионизирующих излучений космическо­го пространства (ИИ КП) не может быть воспроизведена в земных ус­ловиях, при исследовании радиационной стойкости приборов исполь­зуется метод моделирования, состоящий в замене всего спектра кос­мических излучений излучениями с плотностью потока 10⁶…10⁹ част/(см²×с) [2].

Протекающие на орбите в реальных условиях процессы постепенного набора дозы радиоэлектронной аппаратурой при различных температурных условиях до сих пор однозначно не систематизированы. Процессы, протекающие при этом в аппаратуре, проанализированы лишь в некоторых литературных источниках.

В реальных условиях материалы и приборы космических аппаратов подвергаются, как правило, воздействию нескольких типов излучений, содержащих частицы различных энергий. Поэтому для прогнозирования радиационных изменений параметров приборов необходимо изучение этих изменений в зависимости от энергии частиц определённого типа. 

В нормативных документах эти факты не отражены.

Во-вторых, в настоящее время основная часть радиоэлектронной аппаратуры космического пространства состоит из полупроводников. Как известно, полупроводники более чувствительны к воздействию дестабилизирующих факторов, чем остальные компоненты РЭА (стёкла и другие диэлектрики, металл) [2]. 

 Если проанализировать основополагающие принципы воздействия ионизирующих излучений на РЭА, то эти вопросы достаточно подробно изучены. Однако некоторые аспекты воздействия дестабилизирующих факторов космического пространства на РЭА в настоящее время заслуживают более внимательного рассмотрения для обеспечения правильной практики применения результатов испытаний и прогнозирования стойкости и вероятности отказов аппаратуры.

Воздействие ионизирующих излучений на параметры полупроводниковых приборов

Чувствительность полупроводниковых приборов к воздействию различных типов радиационных воздействий зависит от того, по какому принципу работает прибор.

Приборы, которые работают на основе объёмных эффектов, такие как биполярные транзисторы, фотодиоды и другие, главным образом деградируют за счёт объёмных радиационных дефектов, создаваемых при смещении атомов из кристаллической решётки. Эти приборы испытывают значительную деградацию при облучении высокими уровнями потоков нейтронов (более 10¹³ см⁻²) и протонов (более 10¹² см⁻²), что наглядно показано на рис. 1.

Рис. 1. Изменение относительной интегральной чувствительности фотодиодов (SiΦSi0) после облучения различными флюенсами Ф: протонов (Ер = 6 МэВ – кр. 1, Ер = 21 МэВ – кр. 2, Ер = 64 МэВ – кр. 3), электронов (с Ее = 4,2 МэВ – кр. 6), реакторных нейтронов (кр. 5), протонами и электронами (Ер = 21 МэВ + Ее = 4,2 МэВ – кр. 4)

Излучения, вызывающие в основном ионизационные эффекты, не приводят к значительной деградации параметров этих приборов. На рис. 2 показано, что уменьшение чувствительности фотодиодов при облучении ионизирующими излучениями дозой 10⁴…10⁶ рад – всего около 10% [3]. 

Рис. 2. Изменение относительной интегральной чувствительности фотодиодов от дозы протонов (Ер = 6 МэВ – кр. 1, Ер = 21 МэВ – кр. 2, Ер = 64 МэВ – кр. 3), электронов (Ее = 4,2 МэВ – кр. 4)

В таблице описана деградация параметров полупроводниковых приборов при воздействии ионизирующих излучений и причины их возникновения [4].

Таблица деградации пара метров полупроводниковых приборов

На работу приборов с зарядовой связью (ПЗС) и КМОП влияют как объёмные, так и поверхностные дефекты. Работу этих приборов в значительной степени определяют поверхностные эффекты. В деградации этих приборов, характеристики которых определяются свойствами границы раздела полупроводник-диэлектрик, существенную роль играют процессы ионизации, изменяющие величину встроенного заряда в диэлектрике и увеличивающие плотность поверхностных дефектов, что продемонстрировано на рис. 3 и 4, а также 5а и 5б.

Рис. 3. Влияние излучения на передаточные характеристики (1–3) и ток потребления (1′–3′) КМОП-инверторов: кр. 1, 1′ – до облучения, кр. 2, 2′ – после облучения 10⁵ рад, кр. 3, 3′ – после облучения 10⁶ рад


Рис. 4. Передаточные характеристики ПЗС при различных дозах облучения


Рис. 5. Зависимость неэффективности переноса заряда для ПЗС с поверхностным каналом (а) и встроенным каналом (б) от интегрального потока нейтронов с энергией 1 МэВ

В [5] обосновывается, что, поскольку ПЗС представляют собой приборы со структурой МОП, на их характеристики оказывают существенное влияние, обусловленное ионизирующей радиацией, «встраивание» положительного заряда в затворный окисел и увеличение плотности поверхностных состояний, захватывающих подвижный заряд.

Обусловленный радиацией отрицательный сдвиг напряжения плоских зон изменяет режим работы ПЗС, а увеличение плотности поверхностных состояний ухудшает эффективность переноса заряда в приборах с поверхностным каналом и увеличивает темновые токи в приборах со встроенным каналом. Поэтому обычные ПЗС нельзя использовать в тех случаях, когда требуется радиационная стойкость, превышающая 5×10⁴ рад (Si). 

В [6] исследовано облучение электронами 11 МэВ кремниевых окислов Si/SiO₂ и установлено, что образование радиационных дефектов на границе раздела Si/SiO₂ зависит от толщины окисла. Для образцов с толщиной окисла 8 нм установлено образование дефектов вакансия-кислород, или дивакансия. Для образцов с толщиной окисла 23 нм установлено образование большего количества различных видов дефектов и их бо́льшая концентрация. То же электронное облучение образцов с более толстым окислом, помимо обоих видов дефектов, создаёт два дополнительных более глубоких энергетических уровня в запрещённой зоне. То есть общая концентрация дефектов на границе раздела Si/SiO₂ образцов сильно зависит от толщины их окисла. Согласно [6], помимо меньшего числа дефектов в тонком окисле, в нём не наблюдалось образования положительного заряда в окисле после облучения.

Надо отметить, что более высокая радиационная стойкость тонких окислов, дополнительно легированных алюминием, использовалась при создании радиационно-стойких полупроводниковых приборов задолго до публикации [6]. Таким образом, необходимо иметь в виду, что основным способом обеспечения радиационной стойкости изделий является применение комплектующих, изготовленных по специальным технологиям. Такие технологии достаточно давно разработаны и апробированы.

Для описания полной картины радиационных воздействий на современные приборы необходимо отметить следующее.

В связи с тенденцией к повышению степени интеграции электронных приборов, сопровождаемой миниатюризацией активного объёма отдельных компонентов интегральных схем, возможно произвольное искажение информации и появление ошибок при её обработке без устойчивого повреждения интегральных схем, которые возникают под действием ионизирующих излучений с чрезвычайно низкими интегральными потоками, вплоть до воздействия отдельных частиц [1]. Как оказалось, перемежающиеся отказы могут быть вызваны фоном естественной радиации, например, радиоактивными изотопами урана и тория, содержащимися в ничтожных концентрациях в корпусах приборов.

В [7] представлены результаты анализа причин сбоев в работе бортовой аппаратуры (БА) космических аппаратов при функционировании на геостационарной орбите за период с 2011 по 2018 год. В [7] также показано, что одной из причин наблюдаемых сбоев являются эффекты одиночных событий при действии тяжёлых заряженных частиц космического пространства. Кроме того, в [7] проанализировано влияние на частоту сбоев импульсных электрических наводок, вызываемых электростатическими разрядами при объёмном заряжении диэлектрических материалов. 

Способы повышения радиационной стойкости полупроводниковых приборов

Из вышеизложенного следует, что основной и весьма хорошо апробированный способ повышения радиационной стойкости полупроводниковых приборов – технологический. То есть производится, в частности, легирование соответствующими примесями. Для создания рабочих областей приборов используются эпитаксиальные слои с удельным сопротивлением и толщиной, обеспечивающей оптимальное функционирование в полях ионизирующих излучений и пр. Для повышения уровня радиационной стойкости полупроводниковых приборов производится оптимизация конструкции и технологического процесса его изготовления с учётом режима работы прибора, его рабочих областей [8]. Эти вопросы подробно исследованы и внедрены в производство.

Следует обратить внимание, что речь идёт не о полной устойчивости к воздействию ионизирующих излучений, а только о повышении радиационной стойкости.

Согласно классическому определению [9], полупроводники – это такие материалы, которые при комнатной температуре имеют удельную проводимость в интервале от 10⁻¹º10 до 10⁴ Ом⁻¹×см⁻¹, зависящую в сильной степени от структуры вещества, вида и количества примеси и от внешних условий: температуры, освещения, облучения ядерными частицами, электрического и магнитных полей.

Поэтому создать прибор на основе полупроводниковых материалов, не чувствительных к воздействию ядерных частиц, значило бы пытаться создать что-то, противоречащее определению полупроводника.

Но повысить устойчивость полупроводникового прибора к воздействию ионизирующих излучений указанными способами вполне возможно. При этом необходимо провести комплекс испытаний, подтверждающих достигнутый результат. Поэтому полупроводниковые приборы с гарантированным уровнем радиационной стойкости являются весьма дорогостоящими. 

Кроме того, в настоящее время подробно исследован вопрос влияния малых доз ионизирующих излучений на стабилизацию полупроводниковых структур и, как следствие, повышение их стойкости и надёжности.

Например, в [10] описана методика режимов радиационных технологических процессов (РПТ) для повышения стойкости и срока службы в космических условиях.

Исследование [11] посвящено влиянию малых доз излучения на различные материалы. Помимо упорядочения структуры кристаллов при облучении малыми дозами g-квантов, электронами, приводящего к увеличению времени жизни и подвижности носителей заряда в кремнии, арсениде галлия, антимониде индия, детально проанализирован процесс влияния этих излучений на дефектные структуры. Предложена модель своеобразной цепной реакции перестройки дефектов.

Если вопросы технологического изготовления радиационно-стойких изделий были разработаны и внедрены в своё время в производство, то применение малых доз облучения на производственной стадии пока не получило широкого использования.

В [12] сделана очень интересная и многообещающая попытка на основе обобщения результатов экспериментальных и теоретических исследований воздействия различных видов концентрированных потоков энергии (электронной, лазерной, ионной, плазменной, ультразвуковой) на процессы, происходящие в твёрдом теле, разработать технологические процессы улучшения характеристик изделий. В работе обосновано, что перечисленные воздействия малых уровней приводят к упорядочению структуры твёрдых тел, что обусловливает улучшение эксплуатационных свойств изделий на их основе. 

Помимо технологического процесса повышения радиационной стойкости приборов к воздействию ионизирующих излучений, на практике применяется аппаратный метод повышения радиационной стойкости. Этот метод позволяет дезавуировать последствия влияния ионизирующих излучений на аппаратуру. Например, в [13] представлен способ повышения надёжности, защиты от сбоев и отказов электронного блока космического аппарата, функционирующего в полях ионизирующих излучений. Суть его заключается в том, что производят сбор информации о состоянии каналов трёхканального резервированного блока, определяют максимально возможный ток, который может потреблять каждый канал, а также допустимое количество повторных включений электронного блока, при котором он сохраняет работоспособность, задают пороговое значение тока одного канала, измеряют токи потребления каждым каналом, отключают канал, ток потребления которого превышает пороговое значение тока. 

Методы испытаний стойкости электронной аппаратуры к ионизирующим воздействиям

В настоящее время достаточно полно разработаны методы оценки стойкости ЭРИ и РЭА к воздействию ионизирующих излучений космического пространства, которые заключаются в проведении ус­коренных испытаний на моделирующих установках протонного и элек­тронного излучений при высоких интенсивностях.

Правомерность такого подхода подтверждена в [6]. В этой работе исследовано облучение электронами 11 МэВ кремниевых окислов Si/SiO₂ в течение 30 с, 45 с, 60 с и 120 с и установлено, что количество радиационных дефектов возрастает с увеличением времени облучения, т.е. с увеличением дозы облучения.

Однако в процессе функционирования космической аппаратуры приборы не только эксплуатируются постоянно или периодически в течение определённого времени, но и могут находиться в условиях воздействия повышенных или пониженных температур, глубокого вакуума и т.д.

Кроме того, в любой момент функционирования космические аппараты могут подвергнуться воздействию поражающих факторов ядерного взрыва.

Для современных космических аппаратов при отсутствии сред­ств защиты радиус зоны функционального поражения ядерным боепри­пасом мегатонного класса может превышать несколько тысяч кило­метров. При этом подрыв одного ядерного боеприпаса в космосе мо­жет вызвать одновременное поражение нескольких космических аппа­ратов [14].

В [15] конкретно рассчитано, что после взрыва боеприпа­са мощностью 1 Мт на высоте 200 км мощность дозы осколочного гамма-излучения составляет 0,1 Р/с, а на расстоянии 8,1 км в течение нескольких минут будет превышать фон наведённой актив­ности типовых конструкций. Также указано, что на таком расс­тоянии от центра взрыва реализуется Pγ = 10¹¹ Р/с и Фn = 10¹³ н/см².

Поэтому в проблеме проектирования космических аппаратов актуальным вопросом является обеспечение стойкости бортовой ап­паратуры к действию поражающих факторов ядерного взрыва с учётом факторов естественного и искусственного радиационных поясов Земли (ЕРПЗ и ИРПЗ).

В литературных источниках немного данных о проведении подобных комплексных испытаний. В литературе чаще встречаются данные о комплексном воздействии одного какого-либо поражающего фактора и повышенных температур или о комплексном воздействии нескольких поражающих факторов.

В [16] показано, что при эксплуатации приборы (иссле­дования проводились на биполярных транзисторах), подвергнутые ра­диационным воздействиям, проявляют тенденцию к восстановлению па­раметров.

Для структур, облучённых дозой D = 5×10⁶ рад, тепловой отжиг осуществляется за короткий промежуток (t = 20 мин), пос­ле чего эффект достигает насыщения. Последующий эксплуатационный отжиг в течение 48 ч полностью восстанавливает усилительные свой­ства транзисторов. Первый этап отжига обусловлен релаксацией облучённой сис­темы в более равновесное состояние, когда квазистабильные комплек­сы, существующие в кристалле при температуре облучения, перехо­дят в более равновесные конфигурации. 

В [17, 18] описан механизм захвата горячих дырок, генериро­ванных ионизацией, напряжёнными связями, что, по мнению авторов, должно приводить к разрыву этих связей и образованию новой равно­весной структуры.

В [19] приведены результаты эксперимента по исследова­нию изделий электронной техники, работающих в течение 1,5 лет на внешней поверхности КА. Здесь учтено, что, помимо ИИ ЕРПЗ, на объекты испытаний действуют ещё и повышенные температуры и глу­бокий вакуум. Коэффициент передачи тока оптронов возрос с 4 до 8% после 105 суток полета (5,2×10³ рад), после чего постепен­но уменьшился. После набора дозы 3×10⁴ рад (625 суток) это из­менение стало существенным.

Результаты исследования температурных эффектов в процес­се как кратковременного, так и долговременного отжига радиаци­онных дефектов в кремниевых pin-детекторах приведены в [20].

Облучение проводилось протонами с Ер = 650 МэВ потоком 10¹⁴ частиц/см². Постоянная времени быстрой и медленной стадий отжига дефектов соответственно 1–5 дней и более 68 дней.

Кремниевые рin-детекторы, облучённые быстрыми нейтро­нами реактора, отожжены циклами в течение 24 ч при температурах плюс 50; 60; 70 и 80°C. Отжиг при комнатной температуре незначите­лен. Отожжённая при повышенных температурах составляющая тока утечки достигает 2/3 начального значения [21].

Изменение времени жизни и холловской подвижности в облу­чённых электронами с Ее = 8 МэВ монокристаллах кремния типа КДБ12, легированных гафнием и без него, рассмотрено в [22]. После выдержки облучённых образцов, легированных гафнием, при ком­натной температуре в течение 30 месяцев время жизни, значитель­но снизившееся после облучения, восстанавливается, достигая уровня, наблюдаемого в необлучённых образцах. Этот эффект объяс­няется перестройкой введённых в кристаллы при облучении активных центров, приводящих к уменьшению рекомбинационных свойств.

После облучения потоками электронов (Ее = 1,5 МэВ) уров­ня 2,8×10¹⁴ см⁻² кремниевых диодов, изготовленных на основе структур p⁺nn⁺ с удельным сопротивлением n-области 35 Ом•см, дефект с уровнем Ес – 0,41 эВ определяет время жизни при комнатной температуре. Однако после отжига этого дефекта вторичный дефект с уровнем Ес – 0,36 эВ становится преобладающим рекомбинационным центром [23].

В облучённом электронами или ионно-имплантированном крем­нии на первом этапе образуются группы точечных дефектов в неза­конченные конфигурации. Они становятся энергетически нестабильными. Затем они преобразуются во вторичное, законченное состояние. Эта концепция двухшагового формирования может объяснить временной отжиг дефек­тов [24]. 

Отмечено в [25], что применение обработки γ-излучением в технологии изготовления ряда серийных кремниевых диодов приве­ло к возможности регулирования времени восстановления обратного сопротивления диодов. При этом изохронный отжиг радиационных дефектов в рассматри­ваемых структурах происходит в интервале температур 60…65°C. Нехарактерным является отсутствие низкотемпературных стадий отжи­га, обусловленных перестройкой конфигурации дефектов. Энергия активации процесса высокотемпературного отжига составляет 11,6+0,2 эВ. Оценка срока службы облучённых приборов, проведён­ная в [25] на основании расчёта энергии активации при измене­нии параметров на 20%, даёт примерно 10⁵ ч при Т = 150°C, что на порядок превышает срок службы, гарантированный техническими условиями.

В качестве конкретного механизма, объясняющего подоб­ные явления, можно предположить известные эффекты «внутреннего» геттерирования поверхностями кислородных преципитатов и дислока­циями. Эти эффекты проявляются наиболее ярко при термообработках [25]. Такие явления используются для разработки метода повышения радиационной стойкос­ти полупроводниковых приборов, который заключается, в частности, в том, что исходный материал подвергают воздействию ионизирующи­ми излучениями дозами, достаточными для формирования равновесных вакансий [26].

В [27] представлена кривая восстановления прямого паде­ния напряжения при изохронном отжиге диодной структуры, подвергшейся нейтронному облучению. Кривая восстановления падения прямо­го напряжения в полулогарифмическом масштабе состоит из прямоли­нейных участков с различным наклоном. То есть кинетика восстановле­ния падения прямого напряжения на этих участках следует экспонен­циальной зависимости вида:
UD (T)/UD (Ф) = К1×exp(–Ea/(kT)), 
где UD (T) – прямое падение напряжения диода после отжига при температуре Т,
UD (Ф) – прямое падение напряжения диода после облучения,
К1 – константа кинетики,
Еа – энергия активации отжига дефектов в диапазоне температур.

С ростом температуры отжига энергия активации возрастает, что свидетельствует об отжиге более крупных дефектов.

Однако ломаный ход кривой восстановления свидетельствует о том, что в процессе отжига дефекты перестраиваются.

Активационный характер зависимости изменения параметров униполярных и биполярных ИМС, выдержанных при повышенных темпера­турах, обеспечивающих ускорение выработки изделиями параметри­ческого ресурса, отмечен в [28].

В [29] подчёркивается, что тепловое старение ИЭТ не от­ражает всего многообразия картины физической деградации. Дегра­дация изделий является постоянным процессом, который доминирует над другими процессами, сопровождающими длительную эксплуатацию изделий. Особую роль играет процесс теплового старения в случаях эксплуатации ИЭТ на борту КА, например, в атмосфере сухого азота или вакууме, когда процессы гидратации и коррозии практически ис­ключены.

В качестве критерия совместной количественной оценки на­дёжности и радиационной стойкости изделий принимается величина вероятности параметрических отказов из-за необратимости дрейфа исследуемого параметра критерия – годности изделия, найденная как результат теплового старения и при экспериментальной оценке их радиационной стойкости [29]. При этом используется известный принцип аддитивности расхода параметрического ресурса ИЭТ, т.е. считается, что совместное и раздельное воздействие повышенных температур и ИИ в разной их последовательности приводят к сокра­щению величины параметрического ресурса, но значение оставшегося ресурса не зависит от предыстории воздействия температуры и ИИ.

В [30] утверждается, что к дефектам и несовершенствам, внесённым в приборы при их изготовлении, добавились радиационные дефекты, вследствие чего термодинамическая неустойчивость прибо­ра возросла. Радиационные дефекты, взаимодействуя между собой и имеющимися в приборах несовершенствами, способствуют возникно­вению неблагоприятных ситуаций, приводящих к отказам.

Однако такой подход при испытаниях любых полупроводнико­вых приборов, разумеется, является спорным.

Подобная ситуация возможна, например, при эксплуатации приборов, изготовленных на МОП-структурах после облучения дозой, при которой прибор является исправным. Так, в интегральных мик­росхемах памяти большой ёмкости было обнаружено явление, назван­ное «мягкой ошибкой», или сбоем, которое заключается в изменении элементов памяти без образования устойчивых дефектов в структу­ре [31, 32].

Флюктуации в режимах применения именно таких структур мо­гут вызвать перестройку дефектов и наступление отказов значитель­но раньше, чем это могло быть в приборах, не подвергавшихся облу­чению.

Однако применение ряда конструктивно-технологических решений, благодаря которым происходит быстрое уменьшение ионизацион­ных токов, приводит к резкому снижению вероятности возникновения мягкой ошибки [33]. 

С другой стороны, в [34] говорится о том, что при облу­чении полупроводников возможно образование нестабильных пар вакансия – междоузельный атом, которые могут либо аннигилировать и участвовать в геттерировании, либо образовывать стабильные дефек­ты. Все эти процессы, которые конкурируют между собой в деструк­ции пары Френкеля, имеют различные энергии активации. 

Преобладание одного из этих процессов при последующей эксплуатации прибо­ров может приводить либо к стабилизации структуры, либо к эф­фекту «скрытого старения».

Обратимся к математической модели [35], предполагающей расчёт коэффициента стойкости к воздействию дестабилизирующих факторов:
Li = (q0 – (q0 – qi))/q0,
где i – воздействующий дестабилизирующий фактор;
Li – коэффициент стойкости к дестабилизирующему фактору;
qi – критерий стойкости после воздействия дестабилизирующего фактора;
q0 – критерий стойкости при отсутствии воздействия дестабилизирующего фактора.

Таким образом, в многочисленных моделях прогнозирования стойкости к воздействию факторов космического пространства нет единого подхода, они противоречивы и не дают однозначных результатов. 

Принцип оценки стойкости по отдельному воздействию разных излучений на разные партии изделий не всегда по­зволяет учесть ряд весьма важных эффектов, свойственных их комп­лексному воздействию, таких как взаимное влияние факторов на их повреждающую способность, так называемые «отжиговые» эффекты. Решить эту проблему чисто экспериментальным путем предложено в [36], где описана испытательная установка, кото­рая обеспечивает одновременное (комплексное) воздействие шести факторов: повышенной (пониженной) температуры среды, давления, линейного ускорения, вибрации, ударов и агрессивных сред.

Однако эта установка не введена в действие на уровне нормативных документов.

Общность в закономерностях явлений, происходящих в полупроводниковых приборах при воздействии ряда внешних факторов, позволила в [37] сформулировать методологический подход для отбора имитационных нерадиационных методов, помогающих осуществить оценку соответствия изделий требованиям по радиационной стойкости. 

В литературе отмечается [38] аналогия между критерием безотказности, определяющим надёжность работы изделия, и критерием радиационной стойкости. Оба эти понятия подразумевают отсутствие отказов при работе аппаратуры. Поэтому для описания работы КА целесообразно анализировать эти задачи в комплексе. 

При этом следует заметить, что радиационная стойкость и надёжность не только описываются в терминологии «отказ / безотказная работа», но и обусловлены идентичными физико-химическими процессами.

Это даёт основание для распространения на описание процессов, обусловленных воздействием ионизирующих излучений, подробно и широко описанного математического аппарата теории надёжности. 

В одном из немногих источников [39] подробно проанализированы и всесторонне описаны процессы естественного старения и вынужденной деградации электронных приборов, рассмотрено использование ионизирующих излучений с целью моделирования естественного старения приборов. Основной тезис, разработанный в [39], состоит в том, что подпороговые механизмы радиационного дефектообразования в полупроводниках представляют собой класс структурных изменений, которые вызываются электронными возбуждениями. Общность этих механизмов и механизмов естественного старения открывает возможность радиационного моделирования естественного старения.

Как отмечалось ранее, Ed – пороговая энергия смещения (энергия, необходимая для необратимого смещения атома из узла кристаллической решетки). 

Как подробно систематизировано в [12], под действием ионизирующих излучений первично смещённый атом вызывает смещение соседних атомов по атомной цепочке. Если ионизирующие частицы не передают атому энергию, достаточную для смещения, то происходит неупругое рассеяние, приводящее к возбуждению электронной подсистемы твёрдого тела. 

В [39] этот процесс назван «электронным возбуждением», приводящим к изменению в электронной подсистеме и деформации потенциального рельефа для атомных переходов. При наличии в отдельных областях кристаллов градиентов механических напряжений возникают направленные потоки точечных дефектов, вызывающие перераспределение легирующей примеси и перемещение дислокаций. Одновременно происходят различные процессы трансформирования точечных дефектов: возникновение и распад комплексов из междоузельных атомов и вакансий, образование и распад мелких преципитатов. Эти процессы являются основанием для отжига дефектов или естественного старения.

Согласно [39] использование жёстких электромагнитных и реакторных излучений в ускоренных испытаниях является методом, пригодным для обнаружения технологических дефектов и слабых звеньев в полупроводниковой структуре, требующих конструкторско-технологических доработок. Но такие процессы не воспроизводят реальные процессы естественной деградации. Высокоэнергичное ионизирующее излучение приводит к возникновению больших скоплений дефектов, образующих дислокации, области пространственного заряда, что вызывает существенную деградацию приборов.

Несмотря на классические научные факты, изложенные в [11] и [12], и строгие выводы и обширный экспериментальный материал, приведённый в [39] с классической академической трактовкой полученных результатов, ни в одном из этих источников не приведены конкретные рекомендации по характеристикам, уровням радиационных воздействий, способным имитировать естественное старение в течение определённого времени. 

Поэтому применение аппарата теории надёжности к описанию процессов и прогнозированию радиационной стойкости не разработано и не зафиксировано в нормативных документах. 

Таким образом, вопросы комплексного воздействия дестабилизирующих факторов космического пространства в настоящее время в нормативных документах отражаются весьма схематично, что требует от разработчиков аппаратуры учитывать наличие этих проблем самостоятельно. 

Перечень принятых сокращений


Термины и определения

Литература

  1. Заитов Ф.А., Литвинова Н.Н., Савицкий В.Г. и др. Радиационная стойкость в оптоэлектронике. М.: Воениздат, 1987. 166 с.
  2. Артемов А.Д., Данилин Ю.И., Курышев А.В. и др. Вопросы атомной науки и техники. Сер. Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. 2019, вып. 4. C. 50–56.
  3. Вовк О.В. Комплексное воздействие различных частиц и длительных повышенных температур на параметры кремниевых фотодиодов // Вопросы оборонной техники, серия 11. М.: НТЦ «Информтехника», 1993, вып. 4 (139), 52 с.
  4. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. Т. 1, 2. М.: Мир, 1984.
  5. Killiany J.M., Baker W.D. Limitations of a Threshold-Insensitive CCD Input Technique in a Total Dose Radiation Environment, in 1995 Intern. Conf. Applic. CCDs Proc. P. 369–374.
  6. Kaschieva S. Materials Science and Engineering B100 (2003) 23/26. Institute of Solid State Physics, Bulgarian Academy of Sciences. An advantage of MOS structures with ultra thin oxide during irradiation.
  7. Булгаков Н.Н., Зинченко В.Ф. Вопросы атомной науки и техники. Сер. Физика радиацион­ного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. 2020, вып. 1. C. 39–44.
  8. Кофтонюк Н.Ф., Сальников Е.Н. Фоточувствительные МДП-приборы для преобразования изображений. М.: Радио и связь, 1990. 160 с.
  9. Шалимова К.В. Физика полупроводников: учебник для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1985. 392 с.
  10. Ладыгин Е.А. Радиационная технология твердотельных электронных приборов // I отраслевая технологическая конференция, 2007.
  11. Мамонтов А.П., Чернов И.П. Эффект малых доз ионизирующих излучений. Томск: Дельтаплан, 2009. 288 с. 
  12. Клименов В.А., Лидер А.М., Мамонтов А.М. и др. Физические основы современных технологических процессов. Томск: Дельтаплан, 2012, 176 с.
  13. Сыров А.С., Смирнов В.В., Гордийко С.В. и др. RU 2693296. Способ от сбоев и отказов электронного блока космического аппарата, вызываемых внешними воздействующими факторами и устройство для его осуществления, приоритет 28.11.2018. ФГУП МОКБ «Марс». 
  14. Лукьяненко В.И., Литвак А.К., Мураховский Е.В. и др. Вопросы атомной науки и техники. Сер. Физи­ка радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. 2019, вып. 2. C. 80–84.
  15. Верхотуров В.И., Денисенко В.А., Литвак А.К. Вопросы атомной науки и техники. Сер. Физика радиацион­ного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. 1991, вып. 3. C. 56–63.
  16. Вавилов В.С., Горин Б.М., Данилин Н.С. и др. Радиационные методы в твердотельной электрони­ке. М.: Радио и связь, 1990.
  17. Weber H.W., Bock H., Unfried E., Gncenwood O.P. Neutron disimerry and damage calculations for the TRIGA MARK-ID reactor in Vienna. J. of nucl. mater. 1986, № 37. P. 236–240.
  18. Итальянцев А.Г., Мордкович В.Н., Темпер Е.М. О роли атерми­ческих процессов в импульсном отжиге ионно-легированных слоев кремния // Физика и техника полупроводников. 2003. Т. 19, вып. 5. P. 928–930.
  19. Коваленко А.К., Королева Е.А., Галеев А.П. и др. Вопросы атомной науки и техники, 2015, вып. 9. C. 11–13.
  20. Zioch H.J. and all. Temprature dependence of radiation damage and its annealing in silicon detectors // IEEE Trans. Nucl. Sci., 2021, vol. 68, № 8, pt. 1. P. 1694–1700.
  21. Stein H.J. Thermodynamic and morphological analysis of large silicon self-interstitial clusters using atomic simulations. J. of Applied Phys., 117 (2015), issued 3, April 07.
  22. Гарнык B.С. Влияние характера рассеяния на время жизни неос­новных носителей заряда в кремнии, легированном гафнием // Физика и техника полупроводников. 1994. Т. 28, вып. 2. С. 228–231.
  23. Yang K.H., Kappert H.F., Schwutko G.H. Physical and Electrochemical characterization of crystalline silicon surfaces modulated by aluminum. Phys. St. Sol.(a), № 2 (8st.), vol. 215(2018), 1700543.
  24. Watkins G.D. In Lattice Defect in Semicond. Conf. Ser. № 231, Inst. Of Phys. London-Bristol, 2019.
  25. Коршунов Ф.П., Богатырев Ю.В., Носов Ю.П. Вопросы атомной науки и техники. Сер. Физика радиацион­ного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. 2019. Вып. 3. С. 5–8.
  26. Абрамочкин А.И., Карпов И.М., Окунь П.И. и др. Вопросы атомной науки и техники. Сер. Физика радиацион­ного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. 2018. Вып. 3. С. 19–21.
  27. Сирота Н.Н., Чернышев А.А., Коршунов Ф.П. Отжиг радиационных дефектов в кремниевых диодах, облучённых быстрыми нейтронами // Труды института тв. тела и полупроводников. 2012. С. 33–39.
  28. Ширшев Л.Г. Ионизирующие излучения и электроника. М.: Советское радио, 1979, 191 с.
  29. Wik M.W. Hardening of telecommunication Netwoks against Electromagnetic Pulses. Ericsson Reviev, 1984, vol. 61, № 4. Pp. 59–68.
  30. Чернышев А.А. Основы надежности полупроводниковых, прибо­ров и интегральных схем. М.: Радио и связь, 1988.
  31. May T.C., Woods M.H. Alpha-Particle Induced Soft Errors in Dynamic Memories // IEEE Transactions on Electron Devices, 2021, vol. 68, № 4. P. 1454–1460. 
  32. Tojable T., Shinoda T., Aoki M. and all. A Soft Ensor Rate Model for MOS Dynamic RAMs // IEEE Trans. on Electron Devices, 2020, vol. 67, № 4. P. 1680–1685.
  33. Iwai H., Otsuka H., Matsumoto Y. and all. Comparisons of Intrinsic Guttering and Epitaxial Wafer in Terms of Soft Error Endurance and Other Characteristics of 64K Bit Dynamic RaM // IEEE Transductions on Electron Devices, 2021, vol. 68, № 4. P. 1649–1653.
  34. Мамонтов А.П., Еремина А.А. Влияние интенсивности электронного облучения на характеристики GaAs-приборов // Электронная техника. 1987, сер. (вып.) 6 (191). P. 6–11.
  35. Miller P.R. Engineering to counter the EMP theat // Radio and Electron Eng., 1993, vol. 53, № 11, № 12. P. 387–392.
  36. Борковский Я.И., Постников В.Н., Таранцев В.А. и др. Вопросы атомной науки и техники, 2001, вып. 1. C. 9–12. 
  37. Борисов Ю.А., Герасимов В.Ф., Никифоров Н.Ю. и др. Вопросы атомной науки и техники. Сер. Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. 2013, вып. 1–3. C. 174–176.
  38. Мырова Л.О., Чепиженко А.З. Обеспечение стойкости аппаратуры связи к ионизирующим и электромагнитным излучениям. М.: Радио и связь. 297 с. 
  39. Вавилов В.С., Горин Б.М., Данилин Н.С. и др. Радиационные методы в твердотельной электронике. М.: Радио и связь, 1990. 184 с.








Поделиться:



Комментарии

Текст сообщения*
Защита от автоматических сообщений