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(diǎn)
閱讀：540 發(fā)布時(shí)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(píng)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(yàn)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(diǎn)。
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(jí)躍遷退激時(shí)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(qiáng)的穿透力,，γ射線穿過物質(zhì)時(shí)會(huì)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(duì)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(shí)，會(huì)通過以上三種效應(yīng)產(chǎn)生電子空穴對(duì),，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(huì)在電路當(dāng)中引發(fā)瞬態(tài)劑量率擾動(dòng)、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(shí)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(jī)(FXR)和工作于電子模式的直線加速器(LINAC)。上世紀(jì)八十年代開始,，有國外專家提出了使用脈沖激光來進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn),，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(yàn)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(shí)需要考慮到瞬間高劑量的一個(gè)脈寬，因而選擇了一款能量達(dá)焦耳級(jí)的納秒激光器作為輸出源,。另外我們還需要對(duì)光路進(jìn)行設(shè)計(jì),，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(duì)激光光束的調(diào)節(jié)和控制,，通過測(cè)算獲得一個(gè)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(shí)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(yàn)，初步開展了一些激光模擬與閃光加速器的對(duì)比試驗(yàn),。下圖分別是關(guān)于瞬態(tài)劑量率瞬態(tài)的激光模擬試驗(yàn)和閃光加速器試驗(yàn)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(shí)瞬態(tài)波形的脈寬變化也呈現(xiàn)相同趨勢(shì),，激光模擬試驗(yàn)的電磁干擾更少。
針對(duì)CMOS工藝器件我們開展了瞬態(tài)劑量率閂鎖試驗(yàn),，分別開展激光模擬試驗(yàn)和閃光加速器試驗(yàn),，試驗(yàn)結(jié)果如下表所示。
除此之外,，我們還利用激光的優(yōu)勢(shì),，開展了一些瞬態(tài)劑量率翻轉(zhuǎn)試驗(yàn)和閂鎖電流試驗(yàn)，并得到了一些有意思的試驗(yàn)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(gè)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(huì)利用激光試驗(yàn)的優(yōu)勢(shì),，開展更多相關(guān)的研究，同時(shí)也會(huì)進(jìn)一步完善激光模擬試驗(yàn)的相關(guān)試驗(yàn)技術(shù)和試驗(yàn)方法,。
3.脈沖激光模擬的優(yōu)勢(shì)
相對(duì)于閃光X射線機(jī)和直線加速器,，脈沖激光模擬有以下三個(gè)方面優(yōu)勢(shì)：
激光脈沖輻照參數(shù)可調(diào)
光強(qiáng)、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(cè)得器件發(fā)生位翻轉(zhuǎn)、邏輯錯(cuò)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(shì),，既可以定位具體靈敏單元,，又可以進(jìn)行全芯片覆蓋的系統(tǒng)研究；使設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)過程各個(gè)階段都能進(jìn)行γ輻射環(huán)境的抗輻照能力評(píng)估,，可加快加固集成電路研制過程,，降低了設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn),。
試驗(yàn)測(cè)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(cè)試獲取劑量率效應(yīng)特征更加方便可行,。激光試驗(yàn)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(jī)理研究；無總劑量的累積效應(yīng)影響,，便于提取瞬時(shí)劑量率單一效應(yīng)的電學(xué)試驗(yàn)特征信息,，更利于研究瞬時(shí)劑量率效應(yīng)在集成電路中的產(chǎn)生機(jī)理。
試驗(yàn)設(shè)計(jì)成本低
試驗(yàn)時(shí)間短,、效率高，可大量減少器件瞬態(tài)劑量率效應(yīng)試驗(yàn)對(duì)加速器試驗(yàn)機(jī)時(shí)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(yàn)測(cè)試環(huán)境干擾少、試驗(yàn)設(shè)計(jì)成本低天然優(yōu)勢(shì),，在研究瞬態(tài)劑量率效應(yīng)方面大有可為,，試驗(yàn)技術(shù)和試驗(yàn)方法上還有些許不足，需要加強(qiáng)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(jìn)展,，也希望脈沖激光能運(yùn)用在更多的地方,，發(fā)揮出更大的作用。