GB-T 43967-2024 空間環(huán)境 宇航用半導(dǎo)體器件單粒子效應(yīng)脈沖激光試驗方法

ICS49.020CCSV06中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T43967—2024空間環(huán)境宇航用半導(dǎo)體器件單粒子效應(yīng)脈沖激光試驗方法Spaceenvironment—Testmethodofsingleeventeffectsinducedbypulsedlaserofsemiconductordevicesforspaceapplication2024-04-25發(fā)布2024-04-25實(shí)施國家市場監(jiān)督管理總局國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會ⅠGB/T43967—2024前言 Ⅲ1范圍 12規(guī)范性引用文件 13術(shù)語和定義 14試驗?zāi)康?35試驗原理 36一般要求 36.1試驗環(huán)境 36.2試驗樣品 36.3試驗條件參數(shù)設(shè)定 36.4激光能量分析 56.5試驗人員 56.6單粒子效應(yīng)脈沖激光模擬試驗裝置要求 66.7激光輻射安全和輻射防護(hù) 67試驗設(shè)計 67.1試驗樣品測試硬件設(shè)計 67.2試驗樣品測試軟件設(shè)計 67.3試驗測試要求 78試驗過程 78.1試驗方案制定 78.2試驗流程 78.3試驗啟動 88.4激光單粒子效應(yīng)敏感度測試 88.5單粒子效應(yīng)測試 98.6試驗停止條件 98.7改變測試條件或測試程序 98.8更換樣品 99試驗結(jié)果處理 99.1試驗數(shù)據(jù)分析處理 99.2試驗報告 10附錄A(資料性)單粒子效應(yīng)脈沖激光模擬試驗原理 11ⅢGB/T43967—2024本文件按照GB/T1.1—2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分:標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。請注意本文件的某些內(nèi)容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機(jī)構(gòu)不承擔(dān)識別專利的責(zé)任。本文件由中國科學(xué)院提出。本文件由全國宇航技術(shù)及其應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(SAC/TC425)歸口。本文件起草單位:中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心、中國航天科技集團(tuán)有限公司第八研究院第八〇四研究所。1GB/T43967—2024空間環(huán)境宇航用半導(dǎo)體器件單粒子效應(yīng)脈沖激光試驗方法1范圍本文件規(guī)定了利用脈沖激光輻射源開展宇航用半導(dǎo)體器件(以下簡稱“器件”)單粒子效應(yīng)模擬試驗的試驗設(shè)計與程序。本文件適用于宇航用半導(dǎo)體器件單粒子效應(yīng)等的單光子或雙光子吸收機(jī)制的脈沖激光模擬試驗的試驗設(shè)計與過程控制。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中,注日期的引用文件,僅該日期對應(yīng)的版本適用于本文件;不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改單)適用于本文件。GB/T7247.5激光產(chǎn)品的安全第5部分:生產(chǎn)者關(guān)于GB7247.1的檢查清單GB/T19022測量管理體系測量過程和測量設(shè)備的要求GB/T27418測量不確定度評定和表示GB/T32304航天電子產(chǎn)品靜電防護(hù)要求GB/T39343—2020宇航用處理器器件單粒子試驗設(shè)計與程序3術(shù)語和定義下列術(shù)語和定義適用于本文件。單粒子效應(yīng)singleeventeffect;SEE單個高能粒子作用于器件所引發(fā)的翻轉(zhuǎn)、鎖定、燒毀等現(xiàn)象。3.2單粒子翻轉(zhuǎn)singleeventupset;SEU單個高能粒子作用于器件,引發(fā)器件邏輯狀態(tài)發(fā)生變化的一種效應(yīng)。3.3單粒子鎖定singleeventlatchup;SEL單個高能粒子作用于硅襯底電路,導(dǎo)致寄生可控硅結(jié)構(gòu)導(dǎo)通,造成器件低電阻、大電流狀態(tài)的一種輻射效應(yīng)。3.4單粒子燒毀singleeventburnout;SEB單個高能粒子作用于半導(dǎo)體功率器件,導(dǎo)致寄生晶體管導(dǎo)通,造成器件大電流、高電壓狀態(tài)被擊穿或熱損壞的一種效應(yīng)。2GB/T43967—20243.5單粒子功能中斷singleeventfunctioninterrupt;SEFI單個高能粒子作用于芯片功能區(qū),導(dǎo)致芯片無法正常配置,失去功能的一種效應(yīng)。3.6線性能量傳輸linearenergytransfer;LET帶電粒子沿徑跡單位長度沉積的能量。注:單位為兆電子伏特平方厘米每毫克(MeV·cm2/mg)。3.7激光入射能量incidentlaserenergy激光入射到被試器件表面的單個脈沖激光的能量值。注:單位為皮焦耳(pJ)。3.8脈沖激光注量pulsedlaserfluence入射到被試器件單位面積的脈沖激光總數(shù)。注:單位為每平方厘米(cm-2)。3.9激光有效能量lasereffectiveenergy脈沖激光從器件正面或襯底面進(jìn)行輻射,誘發(fā)電荷被器件有源區(qū)內(nèi)的敏感PN結(jié)收集后產(chǎn)生同高能粒子作用結(jié)果相同,在有源區(qū)內(nèi)沉積的能量。注:單位為皮焦耳(pJ)。激光等效重離子LET值equivalentlinearenergytransfer;ELET以激發(fā)的電荷量為參照量,用LET值來表征脈沖激光在器件有源區(qū)內(nèi)單位長度沉積的能量。注:單位為兆電子伏特平方厘米每毫克(MeV·cm2/mg)。激光有效能量閾值effectiveenergythresholdoflaser誘發(fā)單粒子效應(yīng)發(fā)生所需要的最低脈沖激光有效能量。注:單位為皮焦耳(pJ)。激光單粒子事件截面singleeventcrosssectioninducedbylaser單位脈沖激光注量導(dǎo)致單粒子效應(yīng)發(fā)生的次數(shù)或概率。注:單位為平方厘米每器件(cm2/器件)或平方微米每位(μm2/位)。激光測試敏感區(qū)域定位sensitiveareamappingbylaser脈沖激光對被試器件逐點(diǎn)掃描,同步檢測和記錄器件發(fā)生單粒子效應(yīng)的情況,獲得被試器件內(nèi)部對單粒子效應(yīng)敏感的空間分布特征,記錄區(qū)域坐標(biāo)信息。激光光斑影響因子laserspoteffectfactor聚焦激光束到器件有源區(qū)內(nèi)對誘發(fā)單粒子效應(yīng)具有貢獻(xiàn)的激光有效能量與整個激光光斑有效能量的比值。3GB/T43967—20244試驗?zāi)康耐ㄟ^脈沖激光單粒子效應(yīng)試驗,獲得器件單粒子效應(yīng)發(fā)生的閾值,單粒子效應(yīng)截面與入射激光能量(對應(yīng)重離子等效LET值)的關(guān)系,測得器件發(fā)生單粒子效應(yīng)的敏感位置信息,測得器件單粒子效應(yīng)的敏感性。5試驗原理脈沖激光能夠模擬試驗空間高能粒子在器件中產(chǎn)生單粒子效應(yīng),是由于聚焦后的單個激光脈沖能夠通過光致電離的作用機(jī)制,在器件內(nèi)部產(chǎn)生高電荷密度的電離徑跡(大量額外的電子-空穴對),當(dāng)光子能量大于半導(dǎo)體禁帶寬度時,價帶電子吸收光子引起的電子從價帶到導(dǎo)帶的躍遷形成光致電離。依據(jù)其產(chǎn)生一個電子-空穴對需要吸收的光子個數(shù)分為單光子吸收(SPA)、雙光子吸收(TPA)和多光子吸收(MPA)等機(jī)制。具體原理見附錄A。6一般要求6.1試驗環(huán)境試驗環(huán)境條件應(yīng)滿足:a)環(huán)境溫度:20℃~30℃;b)相對濕度:25%~60%;c)潔凈度:激光裝置光路開放條件下等級優(yōu)于十萬級;d)靜電防護(hù):符合GB/T32304的規(guī)定;e)振動:激光裝置光路置于隔振光學(xué)平臺上,對激光聚焦平面上下振幅影響小于3μm。6.2試驗樣品試驗樣品要求如下。a)同一批產(chǎn)品的被試器件數(shù)量應(yīng)不少于3只;被試器件應(yīng)測試合格;每一個被試器件應(yīng)編號,并在試驗中按編號記錄數(shù)據(jù)。b)對未封裝的裸芯片宜采用COB(板上芯片)封裝并暴露襯底面;已經(jīng)封裝完好的被試器件應(yīng)優(yōu)先從器件襯底面開孔被。被試器件應(yīng)優(yōu)先背部開孔暴露硅襯底,開封裝后應(yīng)保證封裝材料完全被去除,除特殊要求下器件應(yīng)完全暴露。倒裝封裝的被試器件應(yīng)從封裝正面開孔;非倒裝塑封被試器件,從封裝背面開孔。c)被試器件的正面開帽應(yīng)符合GB/T39343—2020的規(guī)定。開帽后,拍照記錄芯片的特征(芯片版本號),應(yīng)對被試器件進(jìn)行常態(tài)功能和電性能測試,測試合格的被試器件方可進(jìn)行后續(xù)試驗。d)開帽后的被試器件在運(yùn)輸中,應(yīng)采取防機(jī)械沖擊、防靜電等措施。6.3試驗條件參數(shù)設(shè)定6.3.1最惡劣測試條件采用最惡劣測試條件進(jìn)行單粒子效應(yīng)測試,應(yīng)符合GB/T39343—2020的規(guī)定,還應(yīng)根據(jù)下列要求4GB/T43967—2024選擇測試條件:a)單粒子翻轉(zhuǎn)測試程序覆蓋產(chǎn)品手冊規(guī)定的單粒子效應(yīng)敏感單元;b)單粒子鎖定測試在產(chǎn)品手冊規(guī)定的最高工作電壓下進(jìn)行;c)單粒子鎖定測試覆蓋產(chǎn)品手冊規(guī)定高溫工作環(huán)境下的最高工作溫度;d)單粒子燒毀測試覆蓋被試器件產(chǎn)品手冊規(guī)定的工作電壓范圍;e)單粒子功能中斷測試器件的典型功能配置。6.3.2典型應(yīng)用條件在典型應(yīng)用條件下進(jìn)行單粒子效應(yīng)測試應(yīng)征得各方同意。6.3.3脈沖激光掃描設(shè)定脈沖激光掃描設(shè)定應(yīng)滿足以下要求。a)脈沖激光注量在2×106脈沖/cm2~1×107脈沖/cm2之間,脈沖激光注量率與激光重復(fù)頻率及移動臺掃描速度相關(guān)。b)安裝測試電路板時,樣品長軸對應(yīng)樣品成像觀測的Y軸,寬軸對應(yīng)樣品成像觀測的X軸,或可形成一定角度;樣品的左下角作為成像觀測坐標(biāo)軸原點(diǎn),即掃描起點(diǎn),如圖1所示。c)試驗時,設(shè)定三維移動臺掃描程序作周期掃描移動,保證脈沖激光均勻覆蓋掃描測試器件。同時,X軸、Y軸移動步長設(shè)置應(yīng)滿足a)對脈沖激光注量的要求。除另有規(guī)定外,周期自動掃描程序設(shè)定方式按如下順序執(zhí)行:1)從掃描起點(diǎn)沿Y軸正方向依次移動步長Δa;2)沿X軸正方向移動X軸步長Δb;3)沿Y軸負(fù)方向依次移動距離Δa;4)沿X軸正方向移動X軸步長Δb;5)重復(fù)1)~4)過程直到掃描終點(diǎn)。圖1激光掃描方式示意圖6.3.4試驗設(shè)計的基本要求針對不同類型的SEE,試驗設(shè)計的基本要求應(yīng)符合GB/T39343—2020中4.3.3的規(guī)定。5GB/T43967—20246.4激光能量分析6.4.1激光能量測量與監(jiān)測試驗器件需求分析應(yīng)符合GB/T39343—2020的規(guī)定,激光能量測量與監(jiān)測應(yīng)滿足以下要求:a)選擇合適的能量量程,并且測量前復(fù)位;b)試驗時,能量計探頭光窗與激光光斑聚焦平面的距離在能量計可承受的最大能量密度范圍內(nèi);c)保證激光垂直入射能量計表面;d)具備實(shí)時監(jiān)測脈沖激光入射能量E0和實(shí)時記錄脈沖激光重復(fù)頻率的能力。6.4.2激光能量值設(shè)定輻射試驗激光能量值設(shè)定宜滿足以下要求。a)參照與被試器件結(jié)構(gòu)、工藝接近器件的單粒子效應(yīng)閾值試驗數(shù)據(jù),推測被試器件的單粒子效應(yīng)LET閾值范圍;或依照試驗方案設(shè)定測試所需的LET值。b)根據(jù)推測的LET閾值范圍或設(shè)定試驗方案確定的LET值,按照誘發(fā)器件單粒子效應(yīng)的LET值與激光有效能量Eeff及入射能量E0的對應(yīng)關(guān)系,根據(jù)吸收機(jī)制的不同,單光子吸收機(jī)制利用公式(1)確定試驗需要的初始入射激光能量,雙光子吸收機(jī)制情況下利用公式(2)確定試驗需要的初始入射激光能量:E0=…………(1)E0=LET/1/2…………式中:E0—入射到被試器件表面的激光能量值,單位為皮焦耳(pJ);α—器件內(nèi)材料發(fā)生單光子吸收機(jī)制的吸收系數(shù),單位為每厘米(cm-1);d—器件襯底厚度,單位為厘米(cm);k—誘發(fā)器件單粒子效應(yīng)的LET值與激光有效能量Eeff的對應(yīng)關(guān)系系數(shù);R—器件表面反射率;R'—器件金屬層反射率;f—激光光斑影響因子;ef—重離子與激光產(chǎn)生一個電子空穴對的比值,單位為電子伏特(eV);λ—試驗采用的激光波長,單位為納米(nm);β—器件內(nèi)材料發(fā)生雙光子吸收機(jī)制的吸收系數(shù),單位為吉瓦每厘米(GW/cm);ρ—器件內(nèi)材料的密度,單位為克每立方厘米(g/cm3);h—普朗克常數(shù),單位為牛頓米每秒(N·m/s);c—光速,單位為米每秒(m/s);ω—脈沖激光寬度,單位為秒(s);σ—激光光斑面積,單位為平方厘米(cm2)。6.5試驗人員試驗人員應(yīng)經(jīng)過相關(guān)知識培訓(xùn)才能上崗,具有緊急事件處理能力。具體要求如下:6GB/T43967—2024a)試驗人員應(yīng)掌握半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)知識,了解單粒子效應(yīng)原理,可從理論角度提供器件輻照試驗過程中的突發(fā)狀況的解決辦法;b)熟悉器件工作狀態(tài),可確定輻照試驗中激光參數(shù)等對器件的影響,決定試驗進(jìn)度;c)了解試驗環(huán)境,包括試驗場所、試驗環(huán)境搭建、試驗板操作等。6.6單粒子效應(yīng)脈沖激光模擬試驗裝置要求試驗中所使用的儀器與設(shè)備應(yīng)按照GB/T19022的規(guī)定進(jìn)行校準(zhǔn)。單粒子效應(yīng)脈沖激光試驗裝置要求如下:a)應(yīng)根據(jù)被試器件材料的實(shí)際禁帶寬度大小及激光吸收機(jī)制選擇激光器,單光子吸收需要求單光子能量大于材料的禁帶寬度,雙光子吸收要求雙光子能量大于材料的禁帶寬度,并且所選取的激光波長應(yīng)能夠穿透器件的有源區(qū);b)激光能量計量程應(yīng)覆蓋單粒子效應(yīng)脈沖激光試驗所需能量范圍,且能夠監(jiān)測脈沖激光的重復(fù)頻率及單脈沖激光能量穩(wěn)定性;c)顯微鏡放大倍數(shù)應(yīng)滿足單粒子效應(yīng)脈沖激光試驗對聚焦光斑及工作距離的要求,聚焦后的激光光斑需能夠觸發(fā)器件的單粒子效應(yīng);d)三維移動臺最小步距應(yīng)具備X、Y、Z三軸方向移動能力,且應(yīng)滿足單粒子效應(yīng)脈沖激光試驗掃描輻射要求。6.7激光輻射安全和輻射防護(hù)激光輻射安全防護(hù)及操作應(yīng)符合GB/T7247.5的規(guī)定。7試驗設(shè)計7.1試驗樣品測試硬件設(shè)計單粒子效應(yīng)測試硬件應(yīng)符合GB/T39343—2020中的要求,被試樣品應(yīng)安裝在試驗電路板上,且放置于大氣試驗環(huán)境中。試驗電路板和電纜應(yīng)符合以下要求:a)尺寸、重量滿足三維移動臺部件要求;b)具有良好的機(jī)械穩(wěn)定性和可移動性,若輻射試驗板需要增加必要的散熱部件,保證其不影響試驗板和三維移動臺的機(jī)械穩(wěn)定性和可移動性;c)具有良好的抗電磁干擾能力;d)安裝孔位符合三維移動臺部件要求;e)保證激光垂直入射到被試器件單粒子效應(yīng)敏感區(qū)域,同時確保其在電路板上的電性能安全;f)被試器件的測試區(qū)域平面與聚焦物鏡焦平面重合;g)若輻射試驗板上采用了除被試器件外的其他元器件,保證其不影響顯微物鏡對被試器件的觀察和三維移動臺對被試器件的移動。7.2試驗樣品測試軟件設(shè)計對于需要開發(fā)測試軟件的器件,包括存儲器、邏輯類等器件,測試軟件應(yīng)符合GB/T39343—2020的要求。7GB/T43967—20247.3試驗測試要求7.3.1試驗樣品電路板安裝調(diào)試被試器件試驗電路板安裝調(diào)試應(yīng)滿足以下要求:a)將連接好的試驗電路板固定在三維移動臺上,檢測功能和通信是否正常;b)保證試驗電路板與試驗臺的移動一致性,保證入射激光光束與被試器件暴露表面夾角θ滿足89.5°≤θ≤90°。7.3.2激光聚焦平面位置設(shè)定激光聚焦平面位置設(shè)定應(yīng)滿足以下要求:a)正面輻射器件時激光能穿透器件金屬布線層以到達(dá)有源區(qū)內(nèi);b)背面輻射器件時激光穿透深度大于襯底厚度以保證激光可到達(dá)器件有源區(qū)內(nèi)。7.3.3被試器件掃描區(qū)域設(shè)定被試器件掃描區(qū)域設(shè)定應(yīng)滿足以下要求:a)覆蓋整個被試器件或擬測試的特定區(qū)域;b)測量被試器件管芯或者擬測試區(qū)域的長度和寬度數(shù)值;c)保證三維移動臺在掃描區(qū)域勻速運(yùn)動;d)寬度b不小于b)要求測得的寬度。8試驗過程8.1試驗方案制定試驗前應(yīng)制定試驗方案,應(yīng)包括以下內(nèi)容:a)試驗方案編號和試驗方案名稱;b)試驗?zāi)康?c)試驗地點(diǎn)、試驗日期及試驗環(huán)境;d)試驗設(shè)備的名稱、型號、用途及校準(zhǔn)情況;e)激光能量、脈沖激光注量及掃描輻射方式;裝及襯底減薄處置情況等;g)試驗期間對被試器件加的測試條件;h)單粒子效應(yīng)試驗的類別及測試要求:測試周期、頻率、測試程序和溫度及判據(jù);i)日程安排;j)試驗內(nèi)容及方法;k)試驗數(shù)據(jù)記錄及分析處理方法;l)特殊說明。8.2試驗流程試驗流程如圖2所示。8GB/T43967—2024圖2單粒子效應(yīng)激光試驗流程圖8.3試驗啟動對被試器件及單粒子效應(yīng)測試系統(tǒng)加電,被試器件和效應(yīng)檢測系統(tǒng)進(jìn)入正常工作模式。8.4激光單粒子效應(yīng)敏感度測試8.4.1激光單粒子效應(yīng)能量閾值測試閾值測試流程如下:a)調(diào)節(jié)脈沖激光裝置發(fā)射的激光能量并對被試器件進(jìn)行掃描輻射測試;b)按照設(shè)定的初始激光能量,以最小10%幅度逐次增加或減小入射激光能量進(jìn)行輻射試驗。注:根據(jù)目標(biāo)LET值大小設(shè)定增減幅度,使得被試器件發(fā)生單粒子效應(yīng)的最低能量和不發(fā)生單粒子效應(yīng)的最高能量相差小于最低能量的10%或能量計的最低分辨率,獲取脈沖激光有效能量閾值。8.4.2激光單粒子事件截面測試依據(jù)6.4.2設(shè)定初始入射激光能量,以脈沖激光注量垂直被試器件表面進(jìn)行掃描輻射,檢測器件發(fā)生單粒子效應(yīng)事件數(shù)。根據(jù)兩個以上能量輻射下發(fā)生的單粒子效應(yīng)事件數(shù),判斷合理的激光能量的增加幅度及區(qū)間,改變激光能量,獲得5種以上不同的單粒子效應(yīng)事件數(shù)數(shù)據(jù)。激光能量范圍覆蓋被試器件出現(xiàn)單粒子效應(yīng)到單粒子效應(yīng)事件達(dá)到飽和截面所對應(yīng)的有效能量范圍。8.4.3激光測試敏感區(qū)域定位利用脈沖激光逐點(diǎn)逐脈沖輻射掃描被試器件或設(shè)定區(qū)域,實(shí)時同步檢測記錄其單粒子效應(yīng)現(xiàn)象和發(fā)生單粒子效應(yīng)的輻射點(diǎn)位置,具體流程如下:9GB/T43967—2024a)建立被試器件暴露的表面的二維坐標(biāo)系,確定掃描起始原點(diǎn);b)獲取移動臺傳感器數(shù)據(jù);c)利用脈沖激光對被試器件進(jìn)行逐點(diǎn)掃描輻射并記錄發(fā)生單粒子效應(yīng)的位置信息,同步檢測和記錄器件發(fā)生單粒子效應(yīng)的情況;d)繪制敏感區(qū)域坐標(biāo)分布圖。8.5單粒子效應(yīng)測試?yán)眯?yīng)檢測系統(tǒng)對被試器件進(jìn)行單粒子效應(yīng)測試。記錄被試器件發(fā)生的單粒子效應(yīng)類別和數(shù)量、脈沖激光注量、激光入射能量;如需要時測試記錄單粒子效應(yīng)敏感位置坐標(biāo)信息。8.6試驗停止條件滿足下列條件之一,可結(jié)束試驗:a)在試驗方案規(guī)定的最高目標(biāo)LET值或107脈沖/cm2激光脈沖注量下沒有發(fā)生單粒子效應(yīng);b)按照試驗方案,完成了所有樣品的輻射試驗并獲得了一定數(shù)量的單粒子效應(yīng)數(shù)量統(tǒng)計值。8.7改變測試條件或測試程序當(dāng)試驗方案有規(guī)定時,改變測試條件或測試程序,進(jìn)行輻射。記錄被試器件發(fā)生的單粒子效應(yīng)類別和數(shù)量、激光注量、激光入射能量;如需要時記錄單粒子效應(yīng)敏感位置坐標(biāo)信息,以及相關(guān)數(shù)據(jù)的測量不確定度。8.8更換樣品當(dāng)1只被試樣品完成了試驗方案規(guī)定激光輻射試驗,需更換被試樣品,再進(jìn)行單粒子效應(yīng)測試。9試驗結(jié)果處理9.1試驗數(shù)據(jù)分析處理9.1.1單粒子效應(yīng)激光能量閾值針對測試到的器件單粒子效應(yīng)的閾值激光入射能量,換算為激光到達(dá)被試器件有源區(qū)的激光有效能量Eeff。測算方式見A.4。9.1.2激光單粒子事件截面針對測試到的器件單粒子效應(yīng)事件數(shù)和激光脈沖注量,計算對應(yīng)的激光入射能量、有效能量(或者相對應(yīng)ELET)激光照射下器件的單粒子效應(yīng)截面。單粒子效應(yīng)截面曲線計算方式見A.6。9.1.3激光測試敏感區(qū)域定位應(yīng)根據(jù)試驗過程中記錄的器件單粒子效應(yīng)敏感位置及對應(yīng)的單粒子效應(yīng)數(shù)據(jù),在試驗確定的坐標(biāo)系內(nèi)繪制器件對單粒子效應(yīng)敏感的分布圖,進(jìn)一步映射至被試器件版圖,獲得激光測試的單粒子效應(yīng)敏感區(qū)域分布。9.1.4試驗結(jié)果不確定度分析對于試驗獲得的關(guān)鍵數(shù)據(jù),依據(jù)GB/T27418進(jìn)行試驗結(jié)果不確定度分析。對于試驗獲得的關(guān)鍵高LET值閾值數(shù)據(jù),宜進(jìn)行重離子輻射源的校對驗證。10GB/T43967—20249.2試驗報告試驗報告應(yīng)包括以下內(nèi)容:a)試驗報告編號;b)試驗方案編號;c)試驗?zāi)康?d)試驗地點(diǎn)、試驗日期及試驗環(huán)境;e)試驗設(shè)備的名稱、型號、用途及校準(zhǔn)情況;f)激光能量(ELET值)、激光脈沖注量及掃描輻射方式;開封裝及襯底減薄處置情況等;h)試驗期間被試器件加的測試條件;i)單粒子效應(yīng)試驗的類別及測試要求:測試周期、頻率、測試程序和溫度及判據(jù);j)試驗內(nèi)容及方法;k)試驗數(shù)據(jù)記錄及分析處理方法,試驗測試過程中的運(yùn)行測試細(xì)節(jié);l)試驗結(jié)果(單粒子效應(yīng)閾值、截面或敏感區(qū)域等)及其他。11GB/T43967—2024附錄A(資料性)單粒子效應(yīng)脈沖激光模擬試驗原理A.1單粒子效應(yīng)脈沖激光模擬試驗原理概述脈沖激光能夠模擬試驗空間高能粒子在器件中產(chǎn)生單粒子效應(yīng),是由于聚焦后的單個激光脈沖能夠通過光致電離的作用機(jī)制,在器件內(nèi)部產(chǎn)生高電荷密度的電離徑跡(大量額外的電子-空穴對),如圖A.1所示,這些額外電荷被器件有源區(qū)附近的敏感PN結(jié)收集后可產(chǎn)生同高能粒子作用結(jié)果相同的單粒子效應(yīng)現(xiàn)象。單粒子效應(yīng)脈沖激光試驗優(yōu)先推薦采用背部輻照方式。圖A.1脈沖激光模擬單粒子效應(yīng)物理原理A.2光子吸收主要機(jī)制A.2.1光子吸收機(jī)制原理物質(zhì)對光子的吸收與其材料的電子能帶結(jié)構(gòu)有關(guān),對于脈沖激光與半導(dǎo)體材料的相互作用過程,當(dāng)光子能量大于半導(dǎo)體禁帶寬度時,價帶電子吸收光子引起的電子從價帶到導(dǎo)帶的躍遷形成光致電離。(SPA)、自由載流子吸收和雙光子吸收(TPA)三種機(jī)制,如圖A.2所示。a)b)c)標(biāo)引符號說明:—光子的能量;Ec—半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶;EV—半導(dǎo)體材料的價帶。圖A.2光子主要吸收機(jī)制示意圖12GB/T43967—2024A.2.2單光子吸收在通常情況下,脈沖激光與硅半導(dǎo)體材料作用以單光子吸收為主,即價帶電子吸收單個入射光子能量后遷躍到導(dǎo)帶成為自由電子的過程。A.2.3自由載流子吸收和雙光子吸收當(dāng)半導(dǎo)體摻雜濃度很高或激光強(qiáng)度較大時會出現(xiàn)自由載流子吸收和雙光子吸收兩種光致電離機(jī)制。當(dāng)半導(dǎo)體中等離子體振蕩頻率與激光頻率接近時,將出現(xiàn)共振吸收,光子能量被等離子體的自由電子吸收后使其能量增加,因此這種吸收機(jī)制只產(chǎn)生自由電子的加熱效果,而不產(chǎn)生新的電離。計算表明,對于1064nm的激光,要產(chǎn)生共振吸收所需要的摻雜濃度分別為1.1×1020/cm3,通常微電子器件中部分高摻雜區(qū)域的雜質(zhì)濃度可達(dá)到1018/cm3~1019/cm3,在脈沖激光測試器件單粒子效應(yīng)時自由載流子吸收機(jī)制的影響不必考慮。當(dāng)激光的能量密度很高時(1GW/cm2量級),會出現(xiàn)兩個光子同時被吸收的現(xiàn)象,導(dǎo)致激光光致電離電荷量減少利用波長為1064nm的皮秒脈沖激光進(jìn)行硅基器件單粒子效應(yīng)試驗時,雙光子吸收作用較弱,通常忽略不計。對于SiC基器件,與體硅類似采用單光子吸收效應(yīng)進(jìn)行脈沖激光單粒子效應(yīng)試驗,單個光子能量需大于SiC的禁帶寬度(3C-SiC,2.3eV;4H-SiC,3.2eV;6H-SiC,3.0eV),所以3C-SiC、4H-SiC、6H-SiC器件采用的激光單光子吸收波長需要分別小于538nm(3C)、387nm(4H)、413nm(6H)。對于GaN基器件,需要兩個光子的能量滿足大于GaN禁帶寬度(3.39eV),因此選擇的脈沖激光光波長需要小于729nm,大于單光子的364nm。在雙光子吸收中效應(yīng),同時需要考慮器件內(nèi)存在的陷阱能級導(dǎo)致的器件的漏電流的增大,為了滿足光功率足夠高的要求,激光器的脈沖選擇飛秒。A.3背部輻照試驗由于脈沖激光無法穿透器件正面的金屬布線層,因此,采用從器件硅襯底面進(jìn)行輻照試驗的方式,如圖A.3所示?？紤]到器件硅襯底厚度通常為幾百微米,采用此種試驗方法與正面輻照的不同之處在于,需將激光微束的聚焦平面置于器件有源區(qū)附近的敏感部位,才能有效模擬重離子電離輻照誘發(fā)單粒子效應(yīng)的過程。a)b)圖A.3器件背部的激光微束聚焦示意圖依據(jù)光學(xué)折射定律,可得到以下公式用于計算和實(shí)施器件背部輻照激光聚焦平面的調(diào)節(jié)值,見公13GB/T43967—2024式(A.1)、公式(A.2)。Z1=Z0+…………(A.1)ΔZ=Z1-Z0=…………(A.2)式中:Z1—激光聚焦于有源區(qū)時的焦平面坐標(biāo)位置,單位為微米(μm);Z0—激光聚焦平面處于襯底表面時在Z軸方向的坐標(biāo)位置,單位為微米(μm);ΔZ—Z軸上移的高度,單位為微米(μm);h—硅襯底的厚度,單位為微米(μm);n—激光在硅材料中折射率。A.4激光能量換算入射激光能量E0會經(jīng)歷在器件硅襯底表面的反射、硅襯底衰減、器件正面金屬布線層的反射,最終達(dá)到有源區(qū)附近的為有效激光能量Eeff誘發(fā)器件產(chǎn)生單粒子效應(yīng)。入射激光能量E0是能夠直接測量的參量,而有效激光能量Eeff是最終誘發(fā)器件單粒子效應(yīng)的參量。由于不同器件的硅襯底厚度與摻雜濃度各不相同,需要建立兩者換算的見公式(A.3),