Основы радиационной стойкости изделий электронной техники

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 
№ 2173 
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 
Кафедра полупроводниковой электроники и физики полупроводников
 
К.И. Таперо 
C.И. Диденко 
 
 
 
 
Основы радиационной 
стойкости изделий  
электронной техники 
 
 
Радиационные эффекты  
в изделиях электронной техники 
Учебное пособие 
 
 
Рекомендовано учебно-методическим объединением вузов  
Российской Федерации по образованию в области  
радиотехники, электроники, биомедицинской техники  
и автоматизации в качестве учебного пособия для студентов 
высших учебных заведений, обучающихся по направлению  
подготовки 210100 «Электроника и наноэлектроника» 
 
Москва  2013 

УДК 621.38 
 
Т18 
Р е ц е н з е н т  
канд. физ.-мат. наук, доц. В.А. Ильин 
Таперо, К.И. 
Т18  
Основы радиационной стойкости изделий электронной техники : радиационные эффекты в изделиях электронной техники : 
учеб. пособие / К.И. Таперо, С.И. Диденко. – М. : Изд. Дом МИСиС, 
2013. – 349 с. 
ISBN 978-5-87623-661-6 
Учебное пособие посвящено вопросам деградации полупроводниковых приборов и интегральных схем вследствие дефектов, образующихся при воздействии 
космической радиации. Рассмотрены следующие вопросы: радиационные условия 
в космосе; влияние радиационно-индуцированных структурных повреждений на 
свойства полупроводников; деградация кремниевых приборов и микросхем вследствие радиационных эффектов при воздействии ионизирующих излучений космического пространства; влияние радиационно-индуцированных структурных повреждений на деградацию изделий оптоэлектроники; особенности испытаний изделий 
электронной техники и радиоэлектронной аппаратуры на стойкость к воздействию 
ионизирующих излучений космического пространства. 
Предназначено для бакалавров и магистров, обучающихся по направлению 210100 «Электроника и наноэлектроника», а также студентов, обучающихся по специальности «Микроэлектроника и твердотельная электроника». 
Будет полезно специалистам, работающим в области конструирования изделий полупроводниковой электроники и технологии их изготовления, а также 
обеспечения надежности и радиационной стойкости комплектующих элементов и аппаратуры. 
УДК 621.38 
ISBN 978-5-87623-661-6 
© К.И. Таперо,  
С.И. Диденко, 2013 
2 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
Условные обозначения.............................................................................................8 
Введение ...................................................................................................................10 
1. Краткое описание радиационных условий в окружающем  
пространстве ............................................................................................................15 
1.1. Радиационные условия в космическом пространстве..........................15 
1.1.1. Радиационные пояса Земли............................................................17 
1.1.2. Солнечные космические лучи........................................................21 
1.1.3. Галактические космические лучи..................................................22 
1.1.4. Межпланетное пространство .........................................................23 
1.2. Ионизирующие излучения ядерного взрыва...................................24 
1.3. Ионизирующие излучения атомных электростанций......................26 
2. Основы физики взаимодействия ионизирующих излучений  
с полупроводниками...............................................................................................28 
2.1. Образование структурных повреждений в полупроводниках 
(эффекты смещения)..........................................................................................28 
2.1.1. Смещение атомов при воздействии нейтронов..........................31 
2.1.2. Смещение атомов при воздействии  
высокоэнергетических заряженных частиц...........................................32 
2.1.3. Потери энергии на образование смещений .................................37 
2.1.4. Термостабильные радиационные центры  
в полупроводниках .....................................................................................40 
2.1.5. Образование кластеров дефектов..................................................43 
2.2. Ионизация при радиационном облучении полупроводников  
и диэлектриков....................................................................................................46 
2.2.1. Ионизация при облучении нейтронами .......................................46 
2.2.2. Ионизация при облучении заряженными частицами................47 
2.2.3. Ионизация при воздействии фотонного излучения...................51 
2.2.4. Эффект усиления дозы....................................................................54 
2.3. Ядерные превращения при воздействии ионизирующих  
излучений.............................................................................................56 
2.4. Изменение характеристик полупроводников при  
радиационном облучении.....................................................................57 
2.4.1. Изменение времени жизни неосновных носителей  
заряда.............................................................................................................57 
2.4.2. Снижение концентрации носителей заряда.................................61 
2.4.3. Снижение подвижности носителей заряда..................................63 
3 

3. Деградация полупроводниковых приборов и микросхем вследствие 
радиационно-индуцированных структурных повреждений..........................65 
3.1. Деградация характеристик диодных структур на основе  
p–n-перехода........................................................................................................66 
3.2. Деградация характеристик диодов Шоттки на основе карбида 
кремния ................................................................................................................71 
3.3. Деградация характеристик диодов Шоттки на основе  
соединений AIIIBV...............................................................................................75 
3.4. Деградация биполярных транзисторов...................................................78 
3.5. Деградация характеристик полевых транзисторов с управляющим  
p–n-переходом.........................................................................................................82 
3.6. Деградация высокоскоростных полевых транзисторов на основе 
полупроводниковых соединений....................................................................86 
3.6.1. Деградация характеристик полевых транзисторов  
с барьером Шоттки.....................................................................................86 
3.6.2. Деградация высокоскоростных транзисторов с двумерным 
электронным газом.....................................................................................89 
3.7. Влияние эффектов смещений на деградацию МОП-структур...........90 
3.8. Деградация кремниевых интегральных схем вследствие  
дефектов смещения............................................................................................95 
4. Влияние радиационно-индуцированных структурных повреждений  
на деградацию изделий оптоэлектроники..........................................................99 
4.1. Светодиоды................................................................................................100 
4.1.1. Основные свойства светодиодов.................................................100 
4.1.2. Различные конструктивно-технологические варианты 
светодиодов ...............................................................................................103 
4.1.3. Деградация амфотерно легированных СД при  
радиационном облучении.......................................................................105 
4.1.4. Деградация диффузионных СД при радиационном  
облучении...................................................................................................108 
4.1.5. Деградация СД на двойном гетеропереходе  
при радиационном облучении................................................................109 
4.1.6. Особенности радиационных испытаний СД.............................111 
4.2. Лазерные диоды ........................................................................................113 
4.2.1. Основные свойства полупроводниковых лазеров ...................113 
4.2.2. Деградация лазерных диодов при радиационном  
облучении...................................................................................................119 
4.2.3. Особенности радиационных испытаний  
полупроводниковых лазеров..................................................................124 
 
4 

4.3. Фотоприемники.........................................................................................125 
4.3.1. Фотодиоды на основе p–n- и p–i–n-переходов..........................127 
4.3.2. Фототранзисторы............................................................................129 
4.3.3. Деградация фотодиодов при радиационном облучении.........130 
4.3.4. Деградация лавинных фотодиодов при радиационном 
облучении...................................................................................................132 
4.3.5. Деградация фототранзисторов при радиационном  
облучении...................................................................................................133 
4.4. Оптопары ....................................................................................................134 
4.4.1. Основные свойства оптопар.........................................................134 
4.4.2. Деградация оптопар при радиационном облучении................138 
4.5. Солнечные батареи ...................................................................................144 
4.5.1. Основные свойства солнечных батарей.....................................144 
4.5.2. Деградация солнечных батарей при радиационном  
облучении...................................................................................................147 
4.6. Приборы с зарядовой связью..................................................................152 
5. Дозовые ионизационные эффекты в структуре Si/SiO2 и их влияние 
на характеристики кремниевых приборов и микросхем...............................156 
5.1. Особенности строения структуры Si/SiO2............................................156 
5.1.1. Особенности строения SiO2..........................................................156 
5.1.2. Особенности строения границы раздела Si/SiO2......................162 
5.1.3. Влияние водорода и водородсодержащих соединений  
на свойства структуры Si/SiO2................................................................165 
5.2. Методы исследований заряда в оксиде и плотности  
поверхностных состояний...............................................................................168 
5.2.1. Метод ВФХ......................................................................................169 
5.2.2. Метод подпороговых ВАХ...........................................................171 
5.2.3. Методы, основанные на измерении надпороговой ВАХ 
транзисторов..............................................................................................175 
5.2.4. Метод накачки заряда....................................................................176 
5.3. Физические процессы в МОП-структурах при радиационном 
облучении...........................................................................................................177 
5.3.1. Особенности радиационно-индуцированного накопления 
заряда в диэлектриках МОП-структур..................................................179 
5.3.2. Особенности радиационно-индуцированного встраивания 
поверхностных состояний в МОП-структурах...................................185 
5.3.3. Граничные ловушки.......................................................................196 
5.3.4. Изменение характеристик МОП-транзисторов  
и КМОП-логических элементов при радиационном облучении........199 
5 

5.3.5. Влияние конструктивно-технологических характеристик  
на радиационную стойкость изделий МОП- и КМОП-технологии..202 
5.3.6. Радиационные эффекты в МОП-структурах  
с ультратонкими оксидами.....................................................................204 
5.3.7. Некоторые особенности дозовых радиационных эффектов  
в МДП-структурах с альтернативными диэлектриками...................207 
5.3.8. Влияние полевых оксидов на радиационную  
стойкость ИС.............................................................................................211 
5.3.9. Особенности проявления дозовых радиационных  
эффектов в микросхемах, изготовленных по КНИ-технологии.........215 
5.4. Зависящие от времени радиационные эффекты в изделиях  
на основе МОП-структур................................................................................225 
5.4.1. Нейтрализация радиационно-индуцированного заряда  
в оксиде.......................................................................................................226 
5.4.2. Влияние интенсивности и температуры облучения  
на накопление поверхностных состояний на границе раздела  
Si/SiO2 .........................................................................................................233 
5.4.3. Деградация изделий, изготовленных по МОП- и КМОПтехнологии, в зависимости от интенсивности облучения ................238 
5.5. Особенности дозовых испытаний полупроводниковых  
приборов и микросхем на основе МОП- и КМОП-структур...................244 
5.5.1. Корреляция между отдельными транзисторами 
и микросхемами........................................................................................244 
5.5.2. Выбор электрического режима при испытаниях.....................247 
5.5.3. Влияние на радиационную стойкость  
высокотемпературной наработки перед облучением  
(эффект PETS)...........................................................................................253 
5.5.4. Выбор источников ионизирующих излучений  
при проведении радиационных испытаний МОП и КМОП ИС........257 
6. Дозовые ионизационные эффекты в изделиях биполярной  
технологии .............................................................................................................260 
6.1. Общее описание ионизационных дозовых эффектов в изделиях 
биполярной технологии...................................................................... 260 
6.2. Особенности ионизационных дозовых эффектов в биполярных 
приборах и микросхемах при воздействии низкоинтенсивного 
ионизирующего излучения (эффект ELDRS).............................................266 
6.3. Возможные физические механизмы, приводящие  
к повышенной деградации биполярных изделий  
при низкоинтенсивном радиационном облучении....................................278 
6.3.1. Модель пространственного заряда .............................................279 
6 

6.3.2. Бимолекулярные модели...............................................................282 
6.3.3. Модель бинарной скорости реакции...........................................287 
6.3.4. Выводы по рассмотренным механизмам эффекта ELDRS ....287 
7. Методы испытаний изделий электронной техники и радиоэлектронной 
аппаратуры на стойкость к воздействию ионизирующих излучений 
космического пространства в части дозовых эффектов................................289 
7.1. Испытания аппаратуры и комплектующих элементов с учетом 
структурной состовляющей поглощенной дозы ........................................292 
7.1.1. Методы испытаний радиоэлектронной аппаратуры  
и ее элементов на ускорителях электронов и протонов.....................293 
7.1.2. Метод испытаний аппаратуры и элементов на установках 
гамма- и нейтронного излучения...........................................................297 
7.2. Методы прогнозирования и оценки стойкости изделий  
МОП- и КМОП-технологии к воздействию низкоинтенсивного  
ионизирующего излучения.............................................................................299 
7.2.1. Американский стандарт MIL-STD 883 (Test Method 1019)....299 
7.2.2. Европейский стандарт ESA/SCC Detail Specification  
No. 22900.....................................................................................................302 
7.2.3. Руководящий документ РД В 319.03.37–2000 ..........................306 
7.2.4. Отраслевой стандарт ОСТ 134-1034–2003.................................308 
7.3. Методы прогнозирования и оценки стойкости изделий  
биполярной технологии к воздействию низкоинтенсивного 
ионизирующего излучения.............................................................................310 
8. Одиночные события при воздействии отдельных заряженных  
частиц космического пространства...................................................................315 
8.1. Основные виды и классификация одиночных событий ....................315 
8.2. Краткое описание основных видов одиночных событий..................317 
8.3. Основные параметры чувствительности полупроводниковых 
приборов и микросхем к одиночным событиям.........................................327 
8.4. Общее описание процесса возникновения одиночных событий.....332 
8.5. Экспериментальные методы исследования чувствительности  
изделий полупроводниковой электроники к одиночным событиям  
при воздействии тяжелых заряженных частиц и протонов......................336 
8.5.1. Эксперименты на ускорителях протонов...................................337 
8.5.2. Эксперименты на ускорителях ионов.........................................339 
8.5.3. Эксперименты с изотопными источниками..............................342 
8.5.4. Эксперименты с использованием ионных микропучков........344 
8.5.5. Эксперименты с использованием имитаторов..........................344 
Заключение.............................................................................................................345 
Библиографический список ................................................................................346 
7 

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 
АЦП 
– аналого-цифровой преобразователь 
АЭС 
– атомная электростанция 
БИС 
– большая интегральная схема 
ВАХ 
– вольт-амперная характеристика 
ВФХ 
– вольт-фарадная характеристика 
ВЧ 
– высокочастотный 
ГКЛ 
– галактические космические лучи 
ИИ 
– ионизирующее излучение 
ИК 
– инфракрасный 
ИРПЗ 
– искусственные радиационные пояса Земли 
ИС 
– интегральная схема (микросхема) 
КА 
– космический аппарат 
КМОП – комплементарная структура металл – оксид – полупроводник 
КНИ 
– кремний на изоляторе 
КП 
– космическое пространство 
ЛПЭ 
– линейные потери энергии 
МОП 
– металл–оксид–полупроводник 
ННЗ 
– неосновные носители заряда 
ОЗУ 
– оперативное запоминающее устройство 
ОЗЧ 
– отдельные заряженные частицы 
ОПЗ 
– область пространственного заряда 
ОС 
– одиночное событие 
ПЗС 
– прибор с зарядовой связью 
ПЗУ 
– постоянное запоминающее устройство 
ПП 
– полупроводниковый прибор 
ПС 
– поверхностные состояния 
ПТ 
– полевой транзистор 
ПТБШ – полевой транзистор с затвором в виде барьера Шоттки 
РПЗ 
– радиационные пояса Земли 
РЭА 
– радиоэлектронная аппаратура 
СБИС 
– сверхбольшая интегральная схема 
СВЧ 
– сверхвысокочастотный 
СД 
– светоизлучающий диод 
СЖР 
– сверхжесткое рентгеновское излучение 
СКЛ 
– солнечные космические лучи 
СОЗУ 
– статическое оперативное запоминающее устройство 
ТЗЧ 
– тяжелые заряженные частицы 
УФ 
– ультрафиолетовый 
ЦАП 
– цифро-аналоговый преобразователь 
ЭМИ 
– электромагнитный импульс 
8 

ЭПР 
– электронный парамагнитный резонанс 
ЯВ 
– ядерный взрыв  
ASEE 
– аналоговое одиночное событие (Analog Single Event Effect) 
BUSFET – полевой транзистор с телом, расположенным под истоком (Body-Under-Source  
 
 
Field Effect Transistor) 
CTI 
– неэффективность передачи заряда (Charge Transfer Inefficiency) 
CTR 
– коэффициент передачи заряда (Charge Transfer Ratio) 
ELDRS – повышенная чувствительность к низкоинтенсивному облучению  
 
 
(Enhanced Low Dose Rate Sensitivity) 
EOT 
– эквивалентная толщина оксида (Equivalent Oxide Thickness) 
HEMT 
– высокоскоростной транзистор с двумерным электронным газом  
 
 
(High Electron Mobility Transistor) 
LOCA 
– авария с потерей теплоносителя (Loss-Of-Coolant Accident) 
LOCOS – изоляция с помощью локального окисления кремния  
 
 
(Local Oxidation of Silicon) 
MBU 
– множественные сбои нескольких соседних ячеек памяти, вызванные  
 
 
попаданием одной высокоэнергетической частицы (Multiple Bit Upset) 
NIEL 
– неионизационные потери энергии (Non-Ionizing Energy Loss) 
PETS 
– эффект предварительной высокотемпературной наработки (Preirradiation  
 
 
Elevated Temperature Stress) 
RILC 
– радиационно-индуцированный ток утечки (Radiation-Induced Leakage Current) 
RNO 
– переокисленный азотированный оксид (Reoxidized Nitrided Oxide) 
SEB 
– одиночный эффект выгорания в мощных МОП-транзисторах (Single Event  
 
 
Burnout) 
SEDR 
– одиночный эффект пробоя диэлектрика (Single Event Dielectric Rupture) 
SEFI 
– одиночный эффект функционального прерывания (Single Event Functional  
 
 
Interrupt) 
SEGR 
– одиночный эффект пробоя подзатворного диэлектрика в МОП-структурах  
 
 
(Single Event Gate Rupture) 
SEHE 
– одиночный микродозовый эффект (Single Event Hard Error) 
SEL 
– одиночные события радиационного защелкивания (Single Event Latchup) 
SES 
– одиночный эффект вторичного пробоя (Single Event Snappback)  
 
 
в n-канальных МОП-транзисторах 
SET 
– переходная ионизационная реакция, вызванная попаданием  
 
 
высокоэнергетической частицы в чувствительную область ИС  
 
 
(Single Event Transient) 
SEU 
– одиночные сбои (Single Event Upset) 
SILC 
– ток утечки, вызванный электрическим полем (Stress-Induced Leakage Current) 
STI 
– изоляция с помощью поверхностных мелких канавок (Shallow-Trench  
 
 
Isolation) 
TDE 
– зависящий от времени эффект (Time-Dependent Effect) 
TDRE 
– истинный эффект мощности дозы (True Dose Rate Effect) 
VCSEL – полупроводниковый лазер с вертикальным резонатором (Vertical-Cavity  
 
 
Semiconductor Laser) 
9 

ВВЕДЕНИЕ 
В современном высокотехнологичном мире ионизирующие излучения 
(ИИ) довольно часто сопутствуют научной, технической и военной деятельности человека. В первую очередь это касается разработки, хранения 
и возможного применения ядерного оружия, эксплуатации космической 
техники и атомных реакторов, проведения научных исследований с применением ускорителей заряженных частиц и изотопных источников, медицины. Во многих случаях эти излучения целенаправленно (ядерное 
оружие), случайно (аварии на ядерных объектах) или вынужденно (эксплуатация космических аппаратов) воздействуют на системы управления 
и радиоэлектронную аппаратуру (РЭА) различного назначения, основой 
которых являются изделия полупроводниковой электроники. Таким образом, вопросы влияния ионизирующих излучений на полупроводниковые приборы (ПП) и микросхемы является важной народнохозяйственной задачей, и в этой области ведутся масштабные научноисследовательские и опытно-конструкторские работы. 
Основой успешного решения научно-технических задач в данной области является понимание физических основ процессов, протекающих при 
воздействии ионизирующих излучений на материалы электронной техники, а также знание характеристик ионизирующих излучений космического 
пространства, ядерного взрыва и атомных электростанций. 
Космическая радиация в настоящее время является одним из важнейших эксплуатационных факторов, влияющих на работоспособность РЭА космического применения, а также комплектующих ее 
ПП и интегральных схем (ИС). Это во многом определяет актуальность тематики радиационных эффектов в материалах электронной 
техники, радиационно-индуцированной деградации ПП и ИС и определения показателей надежности и радиационной стойкости РЭА в 
условиях воздействия ИИ космического пространства (КП). 
Проникающая радиация имеет две формы: электромагнитное излучение (гамма- и рентгеновское излучение) и излучение частиц 
(электроны, ионы, нейтроны). При прохождении через полупроводниковый материал быстрые частицы или фотоны теряют свою энергию вследствие ряда процессов. Степень реализации того или иного 
процесса зависит как от природы и энергии частицы (или фотона), 
так и от ряда свойств облучаемого материала. Кроме того, на характер энерговыделения при прохождении через облучаемый материал 
могут влиять внешние условия во время облучения (например, тем10