QJ 10005-2008 宇航用半导体器件重离子单粒子效应试验指南

中华人民共和国航天行业标准

FL6100QJ10005—2008

宇航用半导体器件重离子单粒子效应

试验指南

Testguidelinesofsingleeventeffectsinducedbyheavyionsof

semiconductordevicesforspaceapplications

2008－02－16发布2008－06－01实施

国防科学技术工业委员会发布

QJ10005—2008

目次

前言..................................................................................................................................................................II

1范围.................................................................................................................................................................1

2规范性引用文件.............................................................................................................................................1

3术语和定义.....................................................................................................................................................1

4一般要求.........................................................................................................................................................2

4.1试验单位......................................................................................................................................................2

4.2试验人员要求..............................................................................................................................................2

4.3仪器与设备..................................................................................................................................................2

4.4试验环境......................................................................................................................................................2

4.5总剂量效应影响的考虑..............................................................................................................................2

4.6辐射安全和辐射防护..................................................................................................................................2

4.7不确定度分析..............................................................................................................................................3

4.8文件..............................................................................................................................................................3

5试验方法.........................................................................................................................................................3

5.1试验目的......................................................................................................................................................3

5.2试验原理......................................................................................................................................................3

5.3试验设备......................................................................................................................................................4

5.4试验程序......................................................................................................................................................7

5.5试验报告......................................................................................................................................................8

附录A（资料性附录）宇航用半导体器件重离子单粒子试验方案格式....................................................9

附录B（资料性附录）宇航用半导体器件重离子单粒子效应试验报告格式...........................................11

附录C（资料性附录）HI－13串列静电加速器和回旋加速器HIRFL.....................................................13

附录D（资料性附录）在轨单粒子事件率预示..........................................................................................15

Ⅰ

QJ10005—2008

前言

本指导性技术文件的附录A、附录B、附录C和附录D为资料性附录。

本指导性技术文件由中国航天科技集团公司提出。

本指导性技术文件由中国航天标准化研究所归口。

本指导性技术文件起草单位：中国航天科技集团公司第五研究院物资部、中国航天标准化研究所。

本指导性技术文件主要起草人：于庆奎、唐民、朱恒静、孟猛、管长才、蔡娜、周倜、王敬贤。

II

QJ10005—2008

宇航用半导体器件重离子单粒子效应试验指南

1范围

本指导性技术文件给出了宇航用半导体器件（以下简称器件）重离子辐照引起的单粒子效应的试验

指南，包括试验要求、试验方法和试验程序。

本指导性技术文件适用的单粒子效应包括单粒子翻转、单粒子锁定、单粒子扰动等。不包括功率

MOS器件的单粒子烧毁。本指导性技术文件中的半导体器件包括半导体集成电路和半导体分立器件。

2规范性引用文件

下列文件中的条款通过本指导性技术文件的引用而成为本指导性技术文件的条款。凡是注日期的引

用文件，其随后所有的修改单（不包含勘误的内容）或修订版均不适用于本指导性技术文件，然而，鼓

励根据本指导性技术文件达成协议的各方研究是否使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文

件，其最新版本适用于本指导性技术文件。

GB4792－1984放射卫生防护基本标准

GJB1649－1993电子产品防静电放电控制大纲

GJB2712－1996测量设备的质量保证要求计量确认体系

GJB3756－1999测量不确定度的表示及评定

3术语和定义

下列术语和定义适用于本指导性技术文件。

3.1

单粒子效应（SEE）singleeventeffects

早先用来描述现被称为单粒子事件中的许多效应的术语。

3.2

单粒子事件（SEP）singleeventphenomena

由高能粒子单个撞击引发的半导体器件一系列响应的统称。包括中子、质子引起的效应。

3.3

单粒子翻转（SEU）singleeventupset

单个高能粒子作用于器件，引发器件的逻辑状态改变的一种辐射效应。

3.4

单粒子锁定（SEL）singleeventlatch－up

单个高能粒子将器件内寄生的可控硅触发开启，形成低电阻、大电流状态。

3.5

线性能量传输（LET）linearenergytransfer

离子沿入射方向单位长度沉积的能量。

3.6

LET阈值thresholdLET

1

QJ10005—2008

对于给定的器件，LET阈值定义为垂直入射的离子在给定的注量下能产生SEU的最小LET值。在

一些场合，LET阈值又定义为一定比例饱和截面对应的LET值。本规范用后一个定义。

注：本指导性技术文件规定翻转截面为1%饱和翻转截面所对应的LET。

3.7

有效LETeffectiveLET

离子倾角入射时等效于沿表面法线方向单位长度上沉积的能量

注：LETeff=LETθ/cosθ，其中LETθ为以θ角入射的离子的LET。

3.8

注量率flux

2

单位时间内单位面积垂直入射粒子数，单位为粒子数每平方厘米秒（粒子数/cm·s）。

3.9

注量fluence

垂直入射方向单位面积粒子总数。单位为粒子数每平方厘米（粒子数/cm2）。

3.10

单粒子事件截面SEPcrosssection

单位注量下的单粒子事件数。

注：σ=单粒子事件数/（注量×cosθ），其中，σ为单粒子事件截面，单位：cm2/器件，或cm2/位；θ为离子入射角。

3.11

饱和截面saturationcrosssection

增加入射离子的LET值而单粒子事件数不再增加时的单粒子事件截面。

4一般要求

4.1试验单位

承担辐照试验的单位应有上级主管部门或本行业相关部门或用户认可的资质。

4.2试验人员要求

试验人员应掌握半导体器件的基础知识，了解辐射效应原理，具有辐照试验经验，并持证上岗。

4.3仪器与设备

所使用的仪器和设备应按照GJB2712－1996中第4章的要求进行校准。

4.4试验环境

试验环境要求如下：

a)环境温度：15℃～35℃；

b)相对湿度：20%～80%；

c)静电防护满足GJB1649－1993的规定。

4.5总剂量效应影响的考虑

如果被试器件进行过总剂量试验，应评估总剂量效应对单粒子效应的影响。

当入射离子数量达到107个离子/cm2，应考虑总剂量效应的影响。

如测试环境中同时存在γ辐射场时，应考虑总剂量效应的影响。

4.6辐射安全和辐射防护

试验人员在辐射源区的操作应符合GB4792－1984的要求。

2

QJ10005—2008

4.7不确定度分析

应按GJB3756－1999中第5章的规定进行试验结果的不确定度分析。

4.8文件

文件要求如下：

a)试验前应制定试验方案，格式参见附录A；

b)试验后应编写试验报告，格式参见附录B。

5试验方法

5.1试验目的

通过试验，获得器件单粒子事件截面与入射离子LET的关系，为评价器件的单粒子效应敏感性提

供数据。

5.2试验原理

用i（通常要求i≥5）种不同LET的离子，以倾角θ（i）入射到芯片表面，入射到芯片表面的离子

总数为Φ（i），检测器件发生的单粒子事件数N（i）。利用公式（1）和（2）计算LET（i）的离子照射

下器件的单粒子事件截面σ（i）和LET(i)eff：

σ（i）=N（i）/（Φ（i）×cosθ（i））…………（1）

式中：

i——不同LET离子的种类数；

2

σ（i）——第i种LET离子的单粒子事件截面，单位为平方厘米每器件或平方厘米每位（cm/

器件或cm2/位）；

N（i）——第i种LET离子测得的单粒子事件数；

Φ（i）——第i种LET离子的总注量；

θ（i）——第i种LET离子的入射角，单位为度（°）。

LET(i)eff=LET（i）/cosθ（i）…………（2）

式中：

LET（i）eff——以θ角入射的第i种LET离子的有效LET值；

LET（i）——第i种LET离子的LET值。

画出单粒子事件截面σ（i）和入射离子LET（i）eff的关系曲线，如图1所示。由σ~LET曲线得

出反映器件单粒子事件敏感性的两个关键参数：单粒子事件饱和截面σsat和LET阈值LETth。

由单粒子事件饱和截面σsat和LET阈值LETth，结合空间辐射环境模型，可预示器件在各种空间环

境中的单粒子事件率。

3

QJ10005—2008

σ

图1σ～LET关系曲线

5.3试验设备

5.3.1辐射源

5.3.1.1概述

辐射源应能输出重离子，重离子的LET、注量率应满足试验要求。重离子在硅中的射程一般要求大

于30μm。照射到被试器件敏感区表面的束流非均匀性小于10%。

重离子单粒子效应模拟试验常用的辐射源有回旋加速器、串列静电（VandeGraaff）加速器、锎源。

根据被试器件的单粒子敏感性、试验目的、试验时间和费用等选择合适的辐射源。

5.3.1.2回旋加速器

282

回旋加速器可加速能量可变的多种离子，注量率在100粒子/cm·s~10粒子/cm·s连续可调，在

硅中的射程不少于30μm。加速器配有放置试验板的真空室，真空室有密封插座，电缆可通过密封插座

与外部试验系统连接。

回旋加速器的特点是可将离子加速到很高的能量，加速离子的最大能量可超过1GeV，加速离子的

射程长。对某些离子可以在大气环境进行试验。

和串列静电加速器比，回旋加速器改变离子种类的时间较长。

5.3.1.3串列静电加速器

282

串列静电加速器可加速能量连续可变的离子，注量率在100粒子/cm