宇航用双极器件和光电耦合器位移损伤试验研究

李 铮，于庆奎，罗 磊，孙 毅，梅 博，唐 民

（中国航天宇航元器件工程中心，北京 100029）

宇航用双极器件和光电耦合器位移损伤试验研究

李 铮，于庆奎，罗 磊，孙 毅，梅 博，唐 民

（中国航天宇航元器件工程中心，北京 100029）

文章针对器件的位移损伤效应，利用质子加速器产生的质子及反应堆中子对化合物器件和硅器件位移损伤进行试验研究，得到了GaAs光电耦合器的电流传输比（CTR）和硅晶体管电流增益hFE的退化率随等效剂量的变化规律。研究结果表明，在质子70 MeV以上高能量范围，对于硅器件适用的位移损伤等效原理对于GaAs化合物器件则不再适用，需要修正。根据试验数据，给出了经验的修正系数。

双极器件；光电耦合器；辐射效应；位移损伤；等效剂量；试验研究

0 引言

空间辐射会导致航天器电子系统用元器件性能退化，甚至失效。元器件空间辐射效应包括电离总剂量效应、单粒子效应和位移损伤效应。和电离总剂量效应一样，位移损伤效应属于累积效应。国内外研究表明，位移损伤效应和电离总剂量效应共同作用会导致双极器件和光电器件性能下降，甚至失效。位移损伤效应会引起双极器件电流增益下降，发光管发光功率下降，光电耦合器电流传输比下降，CCD电荷转移效率下降、暗信号增强等。

航天器空间粒子辐射环境由带能量的电子、质子和少量的高能重离子构成。航天器内部器件的位移损伤主要是质子引起的。空间质子的能量范围在0.1～400 MeV，在地面实验室难以模拟出真实的空间辐射环境。国内外通过大量理论和试验研究[1-3]，针对空间连续谱粒子的位移损伤地面评估需求，提出了位移损伤等效试验评估方法。通过应用该方法，可将空间环境中复杂的高能粒子能谱转换为单一能量粒子的注量或剂量，进而可以通过地面单能加速器试验的方法对位移损伤效应进行评估。

目前国内外对位移损伤等效试验评估法是否适用于所有器件还缺乏足够研究[4]。已开展的质子试验研究[5-8]中，能量主要集中于10 MeV以下，大于70 MeV的高能质子试验数据不多。本文以化合物器件光电耦合器、硅双极晶体管为对象，利用质子加速器产生的质子及反应堆中子进行试验，对化合物器件和硅器件位移损伤规律进行试验研究，并对位移损伤等效试验的应用条件进行分析。

1 位移损伤等效试验方法

辐射粒子产生位移损伤的能力用非电离能损（NIEL）表征，其含义是入射粒子通过非电离方式在单位距离内传递给晶格的能量。

空间连续谱质子位移损伤剂量由

计算得到，式中：E为质子能量；f(E)为空间质子微分能谱；Emax和Emin分别为空间质子最大能量和最小能量。

对连续谱空间质子产生的位移损伤，在地面实验室采用一种能量的粒子进行模拟试验，试验用粒子等效注量为

式中Eeff为试验用粒子的能量。

从式(1)～(2)可以看到，为了应用位移损伤等效试验方法，需要知道不同种类、能量的粒子在器件材料中的非电离能损值，本文使用的非电离能损数据引自文献[9-11]。

2 辐照试验

2.1 试验样品

试验样品包括光电耦合器GH302和NPN型硅小功率开关晶体管F2N2222A，具体信息见表1。

表1 试验样品信息Table 1 Information of the experimental samples

GH302由 GaAlAs发光管和硅光敏晶体管构成。试验样品未开帽进行辐照。

对于F2N2222A，为了减少封装材料对质子能量的衰减作用，试验前，样品均开帽、露出芯片。

2.2 辐射源

辐射源为加速器产生的高能质子和反应堆中子。质子辐照试验在瑞士PSI（Paul Scherrer Institute）高能质子加速器和淄博万杰医院质子辐照源上进行。PSI加速器的质子能量在70～250 MeV之间连续可调。采用降能片可获得能量低于70 MeV的质子。淄博万杰医院质子辐照源的质子能量在191～230 MeV范围内连续可调，采用降能片获得能量低于191 MeV的质子。通过加准直孔获得所需的辐照束流区域，试验用束流直径为3 cm。质子的注量率在1×106～5×109p/(cm2·s)范围内可调。试验用质子能量较高，在大气环境中的射程足够长，因此，辐照试验可在大气环境中进行。

中子辐照试验在西北核技术研究所中子反应堆进行。中子等效能量1 MeV。试验过程中，中子的注量率为4.3×107n/(cm2·s)。

2.3 电参数测量方法

采用移位法对辐照前后的样品电参数进行测量。测量的电参数及条件按照产品详细规范规定。GH302电参数测量采用 Tektronix-370A可编程图示仪。F2N222A电参数测量采用专用半导体分立器件测试系统。

2.4 试验结果

1）GH302质子和中子辐照试验

在加速器上进行质子辐照试验，试验样品分为2组，每组5只，质子能量分别为70 和191 MeV，辐照前、后测量光耦GH302的电流传输比CTR（测试条件IF=2 mA、Vce=10 V）。

辐照后CTR的退化率为

其中：CTR0为辐照前测量数据；CTR为辐照后测量数据。

光耦GH302的CTR退化率随入射质子注量的变化情况见表2。

表2 光耦GH302的CTR退化率随不同能量入射质子注量的变化Table 2 CRT degeneration rate vs.proton fluence and energy for GH302 optocoupler

从表2可见，在质子能量不变的情况下，CTR退化率随注量的增加而增大；CTR退化程度与质子能量有关，当 191 MeV质子注量达到 2.78× 1010p/cm2时，器件CTR退化率仍小于70 MeV质子辐照到3.30×109p/cm2注量时的退化率。试验数据表明，辐照到相同注量时，低能质子引起的退化率大于高能质子的。

选取GH302试验样品，在脉冲反应堆上进行中子辐照试验。辐照前后测量 CTR。计算结果见表3。

表3 光耦GH302的CTR退化率随等效1 MeV中子注量的变化Table 3 CTR degeneration rate vs.equivalent 1 MeV neutron fluence for GH302 optocoupler

表3数据表明，随中子辐照注量的增加，CTR退化率不断增加。

2）F2N2222A质子辐照试验

将F2N2222A试验样品分成3组，每组3只，分别用191、51、17 MeV质子进行辐照试验，注量率为6×107～2×108p/(cm2·s)。辐照前后测量晶体管电流增益hFE，并计算辐照后电流增益退化率

其中：hFE0为辐照前测量数据；hFE为辐照后测量数据。

以质子注量为1.0×1011p/cm2为例，电流增益退化率与入射质子能量的关系见表4。

表4 F2N2222A在不同能量质子辐照后晶体管电流增益退化率Table 4 Current gain degeneration rate of F2N2222A irradiated by proton of different energies

表4数据显示，对于相同的质子辐照注量，质子能量越低，晶体管电流增益退化率越大。

3 数据分析

3.1 GaAs类型的GH302试验数据分析

图1为 GH302光耦器件在 70 MeV质子、191 MeV质子和核反应堆中子辐照下CTR退化率随位移损伤剂量变化的拟合结果。横轴为利用NIEL折算得到的质子位移损伤剂量，纵轴为光耦器件的CTR退化率。

由图1可见，辐照到相同的位移损伤剂量，70 MeV质子引起的器件性能退化大于191 MeV质子的。CTR退化率随位移损伤剂量变化的拟合曲线公式为

其中y1为等效 1 MeV中子的拟合曲线，y2为70 MeV质子的拟合曲线，y3为191 MeV质子的拟合曲线。

从式(5)～(7)可以发现，光耦 GH302的性能退化与位移损伤剂量成二次多项式关系。通过拟合曲线的公式，可以算出当位移损伤剂量为 1× 107MeV/g时，70 MeV的质子对GH302性能造成的影响是191 MeV质子的4.5倍。过去的研究[12-13]表明，对于GaAs等化合物器件，质子在50 MeV以上的高能区，位移损伤等效方法不适用，这与本文试验结果相符。

采用基于Geant4的仿真程序计算1～400 MeV质子辐照GaAs时缺陷的产生过程。随质子能量增加，此过程中材料的缺陷由点缺陷向缺陷簇转变。同时由库仑散射效应产生的点缺陷大大减少。在高能区，质子在GaAs材料中的NIEL主要由核反应产生的次级粒子构成。随入射质子能量的增加，材料中缺陷的总数减少了，但每次入射粒子通过核反应产生次级粒子，由于形成缺陷簇，带来了比点缺陷更多的NIEL，这是导致NIEL曲线在高能区并未持续降低的原因。如果器件的性能指标受缺陷簇的影响没有NIEL受缺陷簇的影响大，则NIEL曲线与器件性能退化曲线将不匹配。

3.2 硅类型F2N2222A质子辐照数据分析

图2所示为F2N2222A电性能退化与质子位移损伤剂量的关系，横轴为通过NIEL换算得到的位移损伤剂量，纵轴为器件电流增益退化率。图中圆圈为试验点，分别对应1.0×1010p/cm2注量下，17、51、191 MeV三种能量质子辐照下的电流增益退化率；直线为试验点的拟合结果。

图2中拟合曲线的公式为

由式(8)可见，对于硅器件F2N2222A，其电性能退化与入射粒子在器件中沉积的位移损伤剂量成线性关系，这与国外文献中报道的相同注量不同能量的质子辐照试验结果吻合。可见对于硅器件，不同能量质子试验结果符合位移损伤等效原理。

根据试验获得的数据，可由计算得到的航天器内部具体位置位移损伤剂量推算出器件的电参数退化程度。例如通过计算[14]可获得GEO下某8年飞行寿命航天器内部一处的位移损伤剂量为2.68×108MeV/g，通过在质子拟合曲线中取该点，可以得到该条件下 F2N2222A 的性能退化为7.97%。设计师可据此进行器件选用和加固设计。

4 结论

1）对于GaAs类型GH302，辐照到相同位移损伤剂量，70 MeV质子产生的位移损伤大于191 MeV质子的，验证了在质子高能量范围，位移损伤等效评估方法不再适用，需要修正。根据试验数据，得到70 MeV质子的位移损伤约为191 MeV质子的4.5倍。

2）对于硅类型 F2N2222A，质子的位移损伤等效原理成立。不同能量质子辐照，只要最终位移损伤剂量相同，则造成的器件性能退化相同。

（References）

[1]SROUR J R, MARSHALL C J, MARSHALL P W.Review of displacement damage effects in silicon devices[J].IEEE Transactions on Nuclear Science, 2003, 50(3): 653-670

[2]SROUR J R, PALKO J W.Displacement damage effects in irradiated semiconductor devices[J]. IEEE Transactions on Nuclear Science, 2013, 60(3): 1740-1766

[3]WARNER J H, MESSENGER S R, WALTERS R J, et al.Displacement damage evolution in gaas following electron, proton and silicon ion irradiation[J].IEEE Transactions on Nuclear Science, 2007, 54(6): 1961-1968

[4]MESSENGER S R, BURKE E A, SUMMERS G P, et al.Limits to the application of NIEL for damage correlation[J].IEEE Transactions on Nuclear Science, 2004, 51(6): 3201-3206

[5]GAO X, FENG Z Z, CUI X Y, et al.Performance evaluation and prediction of single-junction and triple-junction gaas solar cells induced by electron and proton irradiations[J].IEEE Transactions on Nuclear Science, 2014, 61(4): 1838-1842

[6]SUVANAM S S, LANNI L, MALM B G, et al.Effects of 3-MeV protons on 4H-SiC bipolar devices and integrated or-nor gates[J].IEEE Transactions on Nuclear Science, 2014, 61(4): 1772-1776

[7]VU P, FOWLER B, RODRICKS B, et al.Evaluation of 10MeV proton irradiation on 5.5 Mpixel scientific CMOS image sensor[C]//Sensors, Systems, and Next-Generation Satellites XIV.SPIE Int Soc Optical Engineering, 2010: 163-187

[8]LI X J, GENG H B, LAN M J, et al.Radiation effects on silicon bipolar transistors caused by 3-10 MeV protons and 20-60 MeV bromine ions[J].Physica B-Condensed Matter, 2010, 405(6): 1489-1494

[9]金晓明, 王园明, 杨善潮, 等.Geant4在中子辐射效应中的应用[J].原子能科学技术, 2012, 46(增刊 1): 607-610 JIN X M, WANG Y M, YANG S C, et al.Geant4 application in neutron radiation effects[J].Atomic Energy Science and Technology, 2012, 46(sup 1): 607-610

[10]JUN I, XAPSOS M A, MESSENGER S R, et al.Proton nonionizing energy loss (NIEL) for device applications[J].IEEE Transactions on Nuclear Science, 2003, 50(6): 1924-1928

[11]AKKERMAN A, BARAK J, CHADWICK M B, et al.Updated NIEL calculations for estimating the damage induced by particles and gamma-rays in Si and GaAs[J].Radiation Physics and Chemistry, 2001, 62(4): 301-310

[12]REED R A, MARSHALL P W, MARSHALL C J, et al.Energy dependence of proton damage in AlGaAs light-emitting diodes[J].IEEE Transactions on Nuclear Science, 2000, 47(6): 2492-2499

[13]WARNER J H, WALTERS R J, MESSENGER S R, et al.High-energy proton irradiation effects in GaAs devices[J].IEEE Transactions on Nuclear Science, 2004, 51(5): 2887-2895

[14]孙毅, 唐民, 于庆奎.典型卫星轨道的位移损伤剂量计算与分析[J].航天器环境工程, 2013, 30(5): 487-492 SUN Y, TANG M, YU Q K.Calculation and analysis of displacement damage dose for typical satellite orbits[J].Spacecraft Environment Engineering, 2013, 30(5): 487-492

（编辑：冯露漪）

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 铮（1990—），男，硕士研究生，研究方向为宇航元器件辐射效应；E-mail: lizhengcasc@163.com。指导教师：于庆奎（1964—），男，研究员，研究方向为宇航元器件辐射加固保证；E-mail: yuqingkui@263.net。

2016-05-17；

：2017-02-03

国家自然科学基金项目（编号：11475256）

李铮,于庆奎,罗磊,等.宇航用双极器件和光电耦合器位移损伤试验研究[J].航天器环境工程，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