Wpływ promieniowania jonizującego na elementy półprzewodnikowe i układy scalone

WPŁYW PROMIENIOWANIA JONIZUJĄCEGO

NA ELEMENTY PÓŁPRZEWODNIKOWE I UKŁADY SCALONE

W pracy opisano źródła narażeń elementów półprzewodnikowych i układów scalonych na promie-niowanie jonizujące, a następnie omówiono klasyfikacje mechanizmów uszkodzeń wywołanych tym promieniowaniem. Podano przykłady szkodliwego wpływu promieniowania jonizującego na wybrane elementy i układy. Pokazano zastosowanie promieniowania neutronowego do wytwarzania domieszko-wanego krzemu oraz wykorzystanie krzemu do konstrukcji półprzewodnikowych detektorów promie-niowania jonizującego.

1. ŹRÓDŁA NARAŻEŃ ELEMENTÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH I UKŁADÓW SCALONYCH NA PROMIENIOWANIE JONIZUJĄCE Narażeniom na promieniowanie jonizujące podlegają elementy półprze-wodnikowe i układy scalone używane w aparaturze elektronicznej wykorzysty-wanej w:

• satelitach telekomunikacyjnych;

• satelitach prowadzących badania w kosmosie;

• urządzeniach energetyki jądrowej, gdzie głównym narażeniem jest promienio-wanie γ oraz neutrony;

• lotnictwie cywilnym i wojskowym;

• sprzęcie medycznym stosowanym w radioterapii;

• sprzęcie powszechnego użytku, narażonym m.in. na promieniotwórczość natu-ralną, pochodzącą z materiałów użytych do budowy tego sprzętu.

Źródła promieniowania jonizującego są następujące:

• pierwotne, izotropowe promieniowanie kosmiczne o stałej radiacji, składające się w 90% z protonów oraz w 9% z cząstek α, o energiach dochodzących do 1 TeV; po zderzeniach promieniowania pierwotnego z cząsteczkami atmosfery powstaje promieniowanie wtórne, składające się z różnych cząsteczek o ener-giach w zakresie od 1 eV do 100 GeV;

• wybuchy na Słońcu (wiatr słoneczny) oraz nieprzewidywalne rozbłyski promie-niowania γ pochodzące z przestrzeni kosmicznej;

• pasy radiacyjne van Allena (ważne dla satelitów); pas wewnętrzny jest poło-żony na wysokości 1000–5000 km nad równikiem, pas zewnętrzny zaś – na wysokości 15 000–25 000 km także nad równikiem. W tych pasach są uwię-zione cząstki o ładunku elektrycznym – elektrony i protony, „złapane” w polu magnetycznym Ziemi;

• promieniotwórczość naturalna (samoistna), związana z promieniotwórczymi izotopami radu, toru, uranu i innych pierwiastków; promieniowanie naturalne może też powstać wskutek oddziaływania promieniowania kosmicznego na materię;

• promieniotwórczość sztuczna (wtórne promieniowanie), związana z działalno-ścią człowieka.

Wielkością określającą długoterminowe, prowadzące do akumulacji efekty oddziaływania promieniowania na materię, jest całkowita dawka TDI (ang. total ionizing dose, inaczej – doza absorbowana lub pochłonięta). Jej jednostką jest rad (RAD – radiation absorber dose), który odpowiada absorpcji energii promienio-wania równej 100 ergów w 1 gramie substancji. Jednostką większą, stosowaną w układzie SI, jest jeden grej (gray) równy 100 radom, który odpowiada absorpcji energii równej 1 J w masie 1 kg. Omawiana wielkość może dobrze służyć do określenia ograniczonego czasu życia urządzeń elektronicznych w przestrzeni kos-micznej, gdzie kumulacja efektów absorpcji promieniowania może prowadzić najpierw do uszkodzenia funkcjonalnego, a następnie do uszkodzenia katastro-ficznego układu elektronicznego.

W celu określenia wpływu oddziaływania neutronów na materię, typowo powstałych przy rozszczepieniu lub syntezie jąder pierwiastków, często używa się pojęcia strumienia neutronów, wyrażonego przez ich ilość przypadającą na jednostkę powierzchni.

Wielkością, która określa wpływ ciężkich jonów oraz protonów i neutronów na materię i stanowi miarę energii zaabsorbowanej, jest LET (linear energy transfer), wyrażony w MeV·cm2/mg. Są to straty energii na jednostkę długości odniesione do jednostki gęstości materii.

Inną wielkością określającą wpływ promieniowania na materię jest szybkość jego zmian (dose-rate effect), która decyduje, w jakim czasie dana dawka została zaabsorbowana.

Chociaż dobrze znane są teoretyczne podstawy oddziaływania promienio-wania jądrowego na materię, to jednak oszacowanie jego wpływu na urządzenia i systemy elektroniczne jest trudne do przeprowadzenia. Szczególnie dotyczy to możliwości określenia wpływu różnych rodzajów promieniowania oraz cząstek o różnej energii na elementy półprzewodnikowe i układy scalone.

Cząstki niskoenergetyczne typowo powodują kumulację efektów poprzez długotrwałe napromieniowanie. Przykładem może tu być promieniowanie α pochodzące z promieniotwórczości naturalnej z zanieczyszczeń półprzewodnika lub materiału obudowy. Cząstki α mogą wybijać atomy krzemu z położeń w sieci krystalicznej, tworząc defekty strukturalne. Te defekty, nieobojętne elektrycznie, mogą pułapkować elektrony, co prowadzi do wzrostu rezystywności półprze-wodnika, a także powoduje zmianę czasu życia nośników mniejszościowych.

Taki mechanizm uszkodzeń jest szczególnie niekorzystny dla ogniw słonecznych, gdyż wpływa na zmniejszanie się ich sprawności energetycznej poprzez wzrost rezystancji szeregowej złączy pn. Dla omawianego mechanizmu uszkodzenia używa się pojęcia DDD (displacement damage dose).

Do cząstek wysokoenergetycznych powodujących uszkodzenia zalicza się protony oraz elektrony o energii ponad 150 eV. Mogą one powodować także uszkodzenia typu DDD sieci krystalicznej półprzewodnika. Wykazano istnienie tego typu uszkodzeń w scalonych bipolarnych układach analogowych użytych w układach elektronicznych umieszczonych na satelitach.

Promieniowanie γ w elementach półprzewodnikowych i układach scalonych powoduje przede wszystkim jonizację oraz generację par elektron-dziura. Ma miejsce także rozpraszanie Comptona, powodujące zwiększenie długości fali padającej. Jonizacja może mieć charakter lawinowy przy odpowiednio dużej energii cząstki. Jeżeli jonizacja powstanie w pobliżu złącza pn, to w efekcie może powstać impuls prądu, który zostaje wzmocniony w układzie elektronicznym. Promieniowanie o bardzo dużej energii może nawet doprowadzić do opuszczenia materiału przez elektron i w ten sposób materiał staje się dodatnio naładowany.

Istnieje szereg możliwości zmniejszania wpływu promieniotwórczości na właściwości elementów i układów scalonych. Należą do nich m.in.:

• dobre oczyszczenie materiałów użytych w technologii;

• użycie boru w szkłach pasywujących układ scalony, dobrze absorbującego neutrony;

• stosowanie metali trudno topliwych jako materiału bramki w strukturach MOS; • wprowadzenie specjalnych procesów technologicznych;

• stosowanie specjalnej architektury układów cyfrowych, np. wykorzystanie redundancji poprzez zastosowanie zamiast jednego trzech mikroprocesorów porównujących wyniki obliczeń;

• wykorzystanie układów cyfrowych z dużymi marginesami szumów; • stosowanie kodu korygującego błędy (ECC – error correcting code).

Odporność na promieniowanie zależy od technologii – jedną z najlepszych pod tym względem jest krzemowa technologia SOI, natomiast bardziej odporny na promieniowanie, w porównaniu z krzemem, jest arsenek galu. Jednak do wytwarzania elementów i układów scalonych narażonych na promieniowanie jonizujące przeważnie używa się specjalnych technologii (radiation hardening, radiation hardened integrated circuits). Wytworzone w ten sposób układy są poddawane różnym testom, polegającym na ich naświetlaniu promieniowaniem γ, elektronami oraz protonami. W testach jako źródła promieniowania γ są używane takie promieniotwórcze pierwiastki, jak: kobalt 60, stront 90 oraz cez 137.

Oprócz pewnych, nie zawsze ujawnianych modyfikacji standardowych proce-sów technologicznych, odporność układów na promieniowanie można uzyskać poprzez ich specjalne projektowanie (RHBD – radiation hardening by design). W ten sposób można projektować urządzenia elektroniczne, bazując na komercyj-nych, standardowych układach scalonych. Jednak najczęściej stosuje się zarówno układy „ulepszone”, jak i wymieniony sposób projektowania.

Wiele firm oferuje układy scalone o zwiększonej odporności na promienio-wanie. Np. firma Honeywell oferuje m.in. układy ASIC i pamięci SRAM, wykonane w technologii o rozdzielczości 150 nm, pracujące poprawnie przy dawce promieniowania sięgającej 1 Mrad oraz przy szybkości zmian tej dawki wynoszącej 1012 rad/s. Z kolei firma RCA oferuje układy CMOS ze swojej znanej serii 4000 o zwiększonej odporności na promieniowanie.

2. KLASYFIKACJA MECHANIZMÓW USZKODZEŃ

Oddziaływanie promieniowania może wywołać w elementach półprzewodni-kowych i układach scalonych różne skutki, związane z uszkodzeniami funkcjonal-nymi lub katastroficzfunkcjonal-nymi. Obecnie spotykana w literaturze przedmiotu klasyfika-cja mechanizmów uszkodzeń nie jest jednolita, co widać z poniżej przytoczonych ich definicji [4].

Terminy SEE (single event effect) oraz SEF (single event failure) oznaczają uszkodzenia jednokrotne wywołane przez jedną cząstkę promieniowania pierwotnego lub wtórnego. Do tego typu uszkodzeń należą:

• uszkodzenie SEU (single effect upset) polegające na zmianie stanu logicznego w układach cyfrowych wywołane przez cząstkę jonizującą, powodujące tzw. błąd miękki (soft error), bez defektu fizycznego, dający się naprawić, często zaś układ „nie widzi” tego typu uszkodzenia;

• uszkodzenie ASEU (analog single effect upset) dotyczące scalonych układów analogowych;

• uszkodzenie SEL (single event latch-up) związane z technologią CMOS lub wielowarstwowymi strukturami tranzystorów mocy MOS, to zatrzaśnięcie się powoduje brak reakcji elementu na sygnały i nie prowadzi do katastroficznego uszkodzenia, jeżeli element jest przed nim zabezpieczony;

• uszkodzenie SEB (single event burnout) powodujące zniszczenie elementu, jeżeli nie ma ograniczenia jego prądu; ten rodzaj uszkodzenia występuje głównie w tranzystorach mocy MOS;

• uszkodzenie SET (single event transient) spowodowane przez przemieszczanie się w obwodzie elektronicznym ładunku powstałego pod wpływem promienio-wania w jednym z elementów tego obwodu; może ono doprowadzić do uszkodzenia obwodu; ten mechanizm podobny jest do uszkodzeń wywołanych elektrycznością statyczną (ESD);

• uszkodzenie SEGR (single event gate rupture) prowadzące do uszkodzenia dielektryka bramkowego w tranzystorach MOS; wartość energii progowej promieniowania γ, która może doprowadzić do tego wynosi co najmniej 9 eV; • inne, często nie do końca rozpoznane mechanizmy uszkodzeń.

Jak widać z podanej klasyfikacji uszkodzeń, szczególnie narażone na nie są tranzystory polowe MOS.

3. EMISJA PROMIENIOWANIA α Z MATERIAŁÓW STOSOWANYCH W ELEKTRONICE

Znane są trzy naturalne szeregi promieniotwórcze, w których występuje emisja cząstek α. Są to: szereg uranowo-radowy, torowy, uranowo-aktynowy oraz dodatkowo można wymienić czwarty sztuczny szereg neptunowy, praktycznie niewystępujący w przyrodzie. Z punktu widzenia zanieczyszczeń materiałów, używanych w technologii półprzewodnikowej, ważne są dwa pierwsze z nich, charakteryzujące się długimi czasami połowicznego zaniku produktów rozpadu. Rozpad izotopu uranu 238 w kolejnych przemianach daje ostatecznie stabilny izotop ołowiu 206 oraz osiem cząstek α. Z kolei produktem końcowym szeregu izotopu toru 232 jest izotop ołowiu 208 oraz sześć cząstek α.

Średnia względna zawartość wagowa izotopu uranu 238 wynosi 3·10-6, a izotopu toru 232 – 8·10-6. Stąd można oszacować liczbę cząstek α emitowanych z 1 g skorupy ziemskiej w ciągu 1 s. Łącznie dla obu wymienionych rozpadów ta liczba jest równa około 1,2 cm-3s-1. Typowa wartość zasięgu cząstek α w krzemie wynosi 25 μm. Oszacowanie strumienia tych cząstek daje w wyniku jego wartość równą 10-3 cm-2s-1. Ostatecznie oznacza to, że na powierzchni 1 cm2 co 1000 s powstaje jedna cząsteczka α pochodząca z naturalnego rozpadu promienio-twórczego. Okazuje się, że cząstki te, pochodzące z materiałów użytych do kon-strukcji elementów półprzewodnikowych, mogą powodować więcej błędów w działaniu układów elektronicznych niż protony pochodzące z promieniowania kosmicznego.

Skutki promieniotwórczości α zauważono już w pamięciach o pojemności 16 kB. Na podstawie założonej stopy błędu, wyrażonej we względnej liczbie błędów przypadających na dany okres pracy (np. w ciągu 1000 godzin pracy), można oszacować wartość strumienia tych cząstek nieprowadzącą do powstania uszkodzeń. Bardzo trudno jednak określić zawartość promieniotwórczych pier-wiastków w danym materiale, w literaturze przedmiotu zaś można tylko znaleźć orientacyjne dane dotyczące takich materiałów, jak ceramika, szkło i żywice. Należy dodać, że również takie procesy technologiczne jak trawienie, implantacja jonów lub litografia mogą być źródłem zanieczyszczeń promieniotwórczych.

4. PRZYKŁADY WPŁYWU PROMIENIOWANIA JONIZUJĄCEGO NA ELEMENTY PÓŁPRZEWODNIKOWE I UKŁADY ELEKTRONICZNE

Przykładowym, omówionym tu elementem, na którego właściwości wpływa promieniowanie jonizujące, jest tranzystor MOS. Parametrem, którego wartość zmienia się wskutek naświetlenia, jest napięcie progowe. Okazało się, że zmiany napięcia progowego są wprost proporcjonalne do objętości dielektryka bramko-wego w postaci dwutlenku krzemu, co oznacza, że bardziej odporne na promie-niowanie są elementy z cienką warstwą SiO2. Zmiana napięcia progowego jest

przede wszystkim związanego z mało ruchliwymi dziurami powstałymi wskutek generacji par nośników. Liczba tych par jest wprost proporcjonalna do dawki promieniowania. Promieniowanie także tworzy na międzypowierzchni krzem – dwutlenek krzemu centra, które mogą pułapkować elektrony z kanału. Zmiany wartości napięcia progowego należy traktować jako uszkodzenie funkcjonalne elementu, natomiast uszkodzenie katastroficzne w krzemowych elementach MOS wymaga dawki rzędu 107 radów.

Okazało się, że po ustaniu promieniowania wartość napięcia progowego może powrócić w sposób samoistny do wartości początkowej, ale też może zmienić się do innej wartości, np. większej niż wartość początkowa. Te zmiany zachodzą w temperaturze pokojowej, także w trakcie naświetlania, ale ich szybkość jest większa w wyższej temperaturze. Dla danej dawki ważny jest też czas naświet-lania: mniejsze zmiany obserwuje się dla dawki absorbowanej w długim czasie, a większe – dla identycznej dawki absorbowanej w krótkim czasie.

W układach scalonych CMOS problemem jest też wzrost prądu upływu (leakage current) wskutek promieniowania, powodujący m.in. wzrost mocy statycznej pobieranej ze źródła zasilania przez te układy. Wymieniony prąd to prąd wstecznie spolaryzowanych złączy pn występujących w wielowarstwowych strukturach układów CMOS.

Okazało się, że w scalonych bipolarnych układach analogowych szczególnie podatne na uszkodzenia są tranzystory pnp, w których po napromieniowaniu znacznie malała wartość współczynnika wzmocnienia β wskutek zmniejszenia czasu życia nośników mniejszościowych. Te uszkodzenia powodowały niepra-widłową pracę scalonych komparatorów oraz przetworników a/c. Stwierdzono, że dla danej, pochłoniętej dawki silniejszy efekt występuje, gdy szybkość zmian promieniowania jest mała [2].

Wpływ promieniowania jonizującego pochodzącego z kosmosu zależy od wysokości orbity satelity nad powierzchnią Ziemi, na której się on znajduje, jej kształtu oraz nachylenia tej orbity względem równika (od kąta inklinacji). Typowy przewidywany czas bezawaryjnej pracy satelity wynosi pięć lat, natomiast misje na inne ciała niebieskie wymagają znajomości ich pasów promieniowania oraz dłuższego czasu bezawaryjnej pracy, dotyczy to np. misji na Jowisza i Saturna.

Przykładem uszkodzenia satelity przez promieniowanie jonizujące jest pierwszy satelita telekomunikacyjny Telstar 1, wprowadzony na orbitę w lipcu 1962 roku. Po kilku miesiącach, w grudniu tegoż roku, przestał on poprawnie funkcjonować, co było spowodowane silnym promieniowaniem powstałym wskutek wybuchów nuklearnych w atmosferze, przeprowadzonych wówczas przez USA i ZSRR, m.in. wybuchu Starfish. Orbita tego satelity przecinała też pasy van Allena. W styczniu 1963 roku, po zdiagnozowaniu przyczyny uszkodzenia, został on naprawiony z Ziemi, jednak po kilku dalszych miesiącach następne uszkodzenie nie zostało już usunięte.

Kolejnym przykładem uszkodzenia satelity, wywołanym przez promienio-wanie jonizujące, jest satelita Cassini. Okazało się, że często, mimo braku komendy z Ziemi, pozostawał on w stanie stand-by. Testy użytej na nim aparatury, przeprowadzone na Ziemi w akceleratorze cząstek wykazały, że winę za ten stan

ponosi komparator LM139. Całkowita dawka prowadząca do uszkodzenia tego układu scalonego jest szacowana na 30 000 radów.

Dalszym przykładem omawianych uszkodzeń satelitów były początkowe kłopoty związane z teleskopem Hubble’a wysłanym na orbitę w 1997 roku. Podczas jego przelotów nad południowym Atlantykiem w obszarze, w którym występuje silne natężenie promieniowania protonów, nie można było wyłączyć jego zasilania. Okazało się, że powodem tego było nieprawidłowe działanie transoptorów. W odniesieniu do fotodetektora, stanowiącego część tego elementu, ważna jest wielkość jego powierzchni oraz jej usytuowanie względem padającej wiązki protonów.

Podobne problemy związane z uszkodzeniami elementów optoelektronicz-nych, wywołane strumieniem protonów, wystąpiły także na satelicie Topex--Poseidon, przeznaczonym do badania topografii kuli ziemskiej. Funkcjonował on ponad dwa lata, chociaż przewidywany czas jego życia był dłuższy.

Z kolei w konstelacji satelitów Globastar, będącej jednym z systemów przekazywania rozmów telefonicznych, w 2007 roku stwierdzono usterki związane z degradacją właściwości wzmacniaczy mikrofalowych pracujących w paśmie S, wywołane prawdopodobnie przejściem satelitów przez pas radiacyjny van Allena.

5. NUKLEARNY CHAOS

Pojęcie nuklearnego chaosu (nuclear induced chaos) jest związane z możli-wością użycia w ramach konfliktu zbrojnego bomby jądrowej zdetonowanej na odpowiedniej, dużej wysokości nad powierzchnią Ziemi. Krótki impuls elektro-magnetyczny (nuclear electromagnetic pulse-nemp), towarzyszący eksplozji takiej bomby, jest wywołany promieniowaniem γ. Może on zniszczyć urządzenia zapewniające łączność oraz energetyczną sieć elektryczną na znacznym obszarze, nie wywołując bezpośredniego istotnego zagrożenia dla ludzi. Według szacunków jeden wybuch nad Europą mógłby doprowadzić do całkowitego paraliżu łączności i dystrybucji energii elektrycznej, natomiast w przypadku Stanów Zjednoczonych Ameryki wymagałoby to użycia trzech bomb. Według prognoz całkowite zniszczenie urządzeń następuje w promieniu 1000 km od miejsca wybuchu, nato-miast ich uszkodzenie – w promieniu 2000 km [1].

Zjawiska towarzyszące wybuchowi jądrowemu, związane z powstaniem impulsu emp, przewidział już w 1945 roku Enrico Fermi. Cechą charakterystyczną wybuchu przeprowadzonego na optymalnej, ze względu na jego planowane skutki, wysokości 40–500 km nad powierzchnią Ziemi, jest powstanie silnego impulsu promieniowania jonizującego γ. Przy wybuchu odpowiadającym 1 megatonie TNT zostaje wyzwolona energia rzędu 1017 J, temperatura wybuchu osiąga wartość rzędu 107 K, ciśnienie zaś jest rzędu 106 atmosfer. Tylko około 0,1% energii wybuchu wiąże się z powstaniem promieniowania γ o energii około 1 MeV oraz tylko około 0,1% tego promieniowania bierze udział w powstaniu impulsu.

Wskutek wybuchu pod wpływem promieniowania γ ulegają jonizacji atomy i cząsteczki w górnej warstwie atmosfery, a przemieszczanie się elektronów i dodatnich jonów z różną szybkością w atmosferze powoduje powstanie impulsu pola elektrycznego o natężeniu około 50 kV/m i o czasie trwania mniejszym niż 1 mikrosekunda. Maksimum natężenia pola ma miejsce po około 10 nanosekun-dach od chwili wybuchu.

Powstający przy wybuchu impuls pola elektrycznego niszczy izolację i urzą-dzenia sieci energetycznej, a także układy elektroniczne. W sieciach energetycz-nych należy liczyć się z powstaniem przepięć o wartości sięgającej 10 MV niszczących izolację oraz indukowanych prądów o wartości rzędu dziesiątków kiloamperów. Zabezpieczenie się przed skutkami takiego impulsu jest bardzo drogie i może być zrealizowane przez ekranowanie urządzeń elektronicznych, a więc inaczej niż w odniesieniu do ochrony przed promieniowaniem jonizującym. Światłowodowa sieć w znacznym stopniu podnosi bezpieczeństwo systemu łącz-ności. Innym sposobem zabezpieczenia urządzeń elektronicznych jest ich lokali-zacja na znacznej głębokości pod ziemią, np. w górach.

Orientacyjna odporność wybranych elementów oraz urządzeń na energię impulsu jest następująca:

• lampa elektronowa – kilka J;

• indywidualny tranzystor średniej mocy – 10 mJ; • indywidualny tranzystor małej mocy – 1 mJ;

• układ scalony – 1 μJ, ta wartość maleje ze wzrostem stopnia scalenia; • transformator mocy – więcej niż 10 kJ.

Znane są z przeszłości przypadki wystąpienia impulsu elektromagnetycznego oraz skutków z nim związanych. W 1954 roku Amerykanie zdetonowali na wyso-kości 400 km nad wyspą Johnsona na Pacyfiku bombę jądrową o energii wybuchu 1,4 megatony TNT (1 TNT odpowiada energii wyzwolonej podczas wybuchu 1 tony trotylu, równej 4,184·109J). Skutki powstałego impulsu odczuto na odległych o 1300 km Hawajach, gdzie włączyły się alarmy, zadziałały różne wyłączniki linii telefonicznych, co spowodowało przerwę w łączności telefonicznej trwającą 18 godzin. Warto przypomnieć, że w tamtych czasach w łączności telefonicznej używano przekaźników mechanicznych oraz lamp elektronowych. Podobny wybuch (Starfish), przeprowadzony na Pacyfiku w 1962 roku, uszkodził wyposażenie elektroniczne niektórych satelitów.

W 1976 roku uciekł do Japonii pilot prowadzący nowoczesny odrzutowy myśliwiec radziecki MIG25. Po zbadaniu samolotu Amerykanie stwierdzili, że urządzenia łączności były w nim oparte na lampach elektronowych ekranowanych w klatce Faradaya.

Z powodu zakazu przeprowadzania wybuchów jądrowych obecnie skutki impulsu elektromagnetycznego są badane za pomocą odpowiednich symulatorów.

Podobne efekty zakłóceń w sieci energetycznej oraz w łączności może powodować okresowa aktywność Słońca, podczas której emituje ono znaczne ilości różnych cząsteczek, głównie protonów – jest to tzw. wiatr słoneczny (solar flares).

Destrukcyjne oddziaływanie na urządzenia elektroniczne, analogiczne jak opisany wybuch nuklearny na odpowiedniej wysokości, może wywołać tzw. e-bomba, czyli bomba elektromagnetyczna. Jej działanie opiera się na emisji promieniowania mikrofalowego niepowodującego istotnego zagrożenia dla ludzi. Jest ona raczej bronią informatyczną, gdyż może doprowadzić do destrukcji informacji zawartej w urządzeniach elektronicznych na obszarze jej działania, który typowo ma promień rażenia rzędu kilkuset metrów. Niewielka masa tej bomby – około 20 kg, łatwa jej produkcja oraz niewysoki koszt rzędu 1000 $, czynią ją szczególnie niebezpieczną w rękach terrorystów.

Bomba ta składa się ze źródła energii (może to być nawet akumulator), baterii kondensatorów, specjalnej ładowarki, powielacza napięcia (tzw. generator Marxa), kompresora promieniowania wraz z układem formującym oraz falowodu i anteny. Moc chwilowa emitowana przez tę e-bombę w czasie rzędu 1 mikrosekundy sięga kilkudziesięciu gigawatów. Emitowane promieniowanie indukuje w polu rażenia napięcia rzędu kilowoltów. Występuje także efekt cieplny spowodowany absorpcją energii promieniowania. Oprócz zastosowań militarnych tego typu broń była prawdopodobnie używana w wojnach w Kuwejcie oraz Iraku, nadaje się także do rozpraszania demonstracji.

6. DOMIESZKOWANIE KRZEMU NEUTRONAMI

Pod nazwą „domieszkowanie krzemu neutronami” kryje się metoda wytwarzania wysokorezystywnego krzemu typu n (NBH silikon – neutron-bombarded homogeneously silicon) poprzez naświetlenie pręta z tego pierwiastka wiązką neutronów [3]. Ten sposób domieszkowania jest szczególnie przydatny do uzyskania równomiernie domieszkowanych płytek podłożowych o dużej powierzchni, stosowanych do wytwarzania wysokonapięciowych krzemowych elementów mocy. W przypadku technologii takich elementów wymagana jest stałość wartości rezystywności płytki (co jest wynikiem stałości koncentracji domieszek) mniejsza od 5% na całej jej powierzchni, ze względu na konieczność zapewnienia wystąpienia, przy polaryzacji zaporowej złącza pn, zjawiska przebicia lawinowego jednocześnie na całej powierzchni płytki. Lokalne zmiany rezystywności lub defekty struktury mogą spowodować lokalne przebicie złącza, zmniejszające wytrzymałość napięciową elementu i prowadzące często do jego uszkodzenia katastroficznego wskutek sprzężenia zjawisk elektrycznych i termicz-nych w obszarze lokalnego przebicia.

W naświetlanym wiązką neutronów pręcie krzemu zachodzą różne reakcje jądrowe (transmutacje jądrowe), z których najważniejsza dla domieszkowania jest następująca reakcja:

Jak widać, produktem tej przemiany jest stabilny izotop fosforu, który w krzemie pełni rolę domieszki donorowej. Czas połowicznego rozpadu jąder izotopu krzemu o liczbie masowej 31 wynosi 2,64 godziny. W praktyce po 3–4 dniach naświetlony krzem jest już bezpieczny. Należy dodać, że dominującym stabilnym izotopem krzemu jest jego izotop o liczbie masowej 28 (ponad 92% zawartości), natomiast zawartość stabilnego izotopu 30 wynosi około 3%.

Przykładem wtórnej reakcji, istotnej przy długich czasach naświetlania krze-mu, jest niepożądana reakcja powodująca przemianę fosforu w siarkę

31P (n, γ) → 32P → 31S + β

-Czas połowicznego rozpadu fosforu o liczbie masowej 32 wynosi 14 dni. Umieszczony w rdzeniu reaktora pręt krzemowy w trakcie naświetlania jest obracany dookoła swej osi, natomiast czas jego naświetlania zależy od wymaganej koncentracji atomów fosforu oraz od natężenia strumienia neutronów i w praktyce wynosi kilka godzin. Uzyskany w ten sposób krzem wykazuje względne zmiany rezystywności mierzone wzdłuż promienia pręta mniejsze od 1%. Uszkodzenia poradiacyjne krzemu przeważnie są usuwane w trakcie wysokotemperaturowego procesu dyfuzji domieszek zastosowanego w celu wytworzenia poszczególnych obszarów elementu.

7. PÓŁPRZEWODNIKOWE DETEKTORY PROMIENIOWANIA JONIZUJĄCEGO

Półprzewodnikowe detektory promieniowania jonizującego zajmują ważne miejsce wśród detektorów stosowanych do jego przestrzennej rejestracji (detektory pozycyjne) i detektorów stosowanych w spektrometrii zajmującej się pomiarem energii cząstki oraz widm energetycznych tego promieniowania (detektory spektrometryczne), a także mogą być wykorzystane jako liczniki cząstek. Według niektórych prognoz mogą one nawet stać się dominującą grupą detektorów promieniowania. Półprzewodnikowe detektory promieniowania są wykorzysty-wane w fizyce jądrowej, fizyce cząstek elementarnych, fizyce wysokich energii, energetyce jądrowej, astrofizyce, w przemyśle zaś do kontroli procesów produkcyj-nych oraz w diagnostyce medycznej. Są one także wykorzystane w Wielkim Zderzaczu Hadronów (Large Hadron Colider) w ośrodku CERN pod Genewą

Do wytwarzania detektorów półprzewodnikowych stosuje się klasyczną technologię używaną do produkcji elementów półprzewodnikowych oraz układów scalonych, a obecnie także technologię SOI. Najbardziej popularne są detektory krzemowe (wykorzystywane już od lat 70. ubiegłego wieku), a z innych materia-łów używanych do ich konstrukcji należy wymienić german, zastosowany w tym celu jako pierwszy półprzewodnik w latach 50. XX wieku, następnie tellurek kadmowy (CdTe) oraz arsenek galu i syntetyczny diament. Ten ostatni jest

szczególnie odporny na uszkodzenia detektora wywołane promieniowaniem. Detektory krzemowe mogą być częścią mikrosystemu SoC (system on chip), w którym są zintegrowane z elektroniką odczytową.

Zalety krzemowych detektorów promieniowania jonizującego są następujące: • duża czułość, określona przez najmniejszą wartość energii cząstki

promienio-wania możliwą do zarejestropromienio-wania;

• bardzo dobra energetyczna rozdzielczość pomiaru widma energetycznego pro-mieniowania;

• duża szybkość działania; czas odpowiedzi w postaci impulsu elektrycznego na padające promieniowanie jest bardzo krótki, rzędu dziesiątków nanosekund; • niewielkie rozmiary w porównaniu z innymi typami detektorów;

• możliwość otrzymania dużych monokryształów krzemu w porównaniu z mono-kryształami innych materiałów półprzewodnikowych,

• niska cena.

Zasada pracy krzemowych detektorów promieniowania opiera się na wyko-rzystaniu wywołanego przez absorbowaną cząstkę zjawiska generacji par elektron-dziura, tzn. zjawiska powodującego powstanie nośników prądu. Nośniki mogą powstać także dzięki jonizacji zderzeniowej w przypadku oddziaływania cząstek naładowanych lub zjawiska fotoelektrycznego w przypadku promieniowania γ lub X. Energia potrzebna do generacji par elektron-dziura, wynosząca w krzemie około 3,5 eV, jest znacznie mniejsza niż w detektorach gazowych, gdzie energia cząstki większa od 30 eV powoduje powstanie pary elektron-jon. Ta mała wartość energii umożliwia generację znacznej liczby nośników i zapewnia dużą rozdziel-czość energetyczną omawianych detektorów. Powstanie dużej liczby nośników jest także spowodowane większą gęstością materiału półprzewodnikowego w porów-naniu z gęstością gazu używanego w detektorach gazowych. Detektory krzemowe są przede wszystkim stosowane do detekcji cząstek nieobojętnych elektrycznie i promieniowania γ oraz X, lecz nie są one używane do bezpośredniej detekcji neutronów i cząstek o bardzo dużej energii. Ze względu na swoją wydajność, rozumianą jako stosunek liczby cząstek zarejestrowanych przez detektor do liczby cząstek przemieszczających się przez jego obszar czynny, którym jest warstwa ładunku przestrzennego złącza pn, są one szczególnie przydatne do detekcji promieniowania o energii do 30 keV. Przy pewnej, charakterystycznej wartości napięcia wstecznego warstwa ładunku przestrzennego zajmuje całą objętość słabiej domieszkowanego obszaru złącza pn (fully depleted detector), który jest obszarem czynnym detektora.

W roli detektora typowo wykorzystuje się krzemowe złącze pn spolaryzowane zaporowo. Aby można było zarejestrować sygnał prądowy, wywołany generacją par nośników, ich liczba powstała wskutek promieniowania musi być większa od liczby swobodnych nośników. Oznacza to z kolei, że prąd wywołany jonizacją oraz generacją par powinien być większy od prądu wstecznego (tzw. prądu ciemnego) złącza spolaryzowanego zaporowo. Sygnał prądowy uzyskany z takiego detektora jest wprost proporcjonalny do energii cząstki. Detektory półprzewodnikowe mogą pracować w temperaturze pokojowej, jednak w celu zwiększenia ich czułości

należy je schłodzić, co zmniejsza prąd ciemny złącza pn. Inne struktury półprze-wodnikowe wykorzystywane jako detektory promieniowania stanowią tranzystory polowe, łączące w swojej strukturze detektor i stopień przedwzmacniacza, oraz przyrządy CCD (charge coupled devices).

W roli detektora krzemowego można wykorzystać także diodę pin. Obszar samoistny typu i uzyskuje się przez domieszkowanie części obszaru p atomami litu, który ma charakter domieszki donorowej i jego obecność powoduje kompen-sację domieszki akceptorowej w obszarze p. Te detektory są nazywane detektorami dryftowymi z polem jednorodnym lub oznaczane symbolem Si(Li).

Do określania przestrzennego rozkładu natężenia promieniowania wykorzys-tuje się detektory pozycyjne w postaci matrycy (mozaiki) detektorów indywidual-nych zawierającej złącza pn (pixels) oraz detektory paskowe (microstrip detectors), które zostały po raz pierwszy użyte w 1979 roku do detekcji kwarków. Detektory paskowe dają informacje o torach cząstek i charakteryzują się dużą rozdzielczością przestrzenną.

Problemem jest pogarszanie się parametrów detektorów krzemowych po absorpcji znacznych dawek promieniowania, szacowanych w odniesieniu do krze-mu na megarady.

Defekty spowodowane promieniowaniem można podzielić na defekty objęto-ściowe i powierzchniowe. Defekty objętoobjęto-ściowe polegają np. na powstaniu centrów generacyjno-rekombinacyjnych, zmieniających prąd ciemny złącza pn. Defekty powierzchniowe powstają w warstwie pasywującej detektor oraz na między-powierzchni krzem-dwutlenek krzemu i zależą one od konstrukcji detektora.

Szczególnie dużo uwagi poświęcono konstrukcji detektorów użytych w Wiel-kim Zderzaczu Hadronów, gdzie przewidywany czas ich pracy wynosi 10 lat. Okazało się, że dodatkowe wprowadzenie atomów tlenu do krzemu zwiększa ich odporność na promieniowanie.

Osobnym problemem jest konstrukcja krzemowych detektorów neutronów. Ponieważ obojętnie elektrycznie neutrony nie wywołują jonizacji w krzemie, należy stosować tzw. konwertery w postaci warstw boru lub litu, w których pod wpływem promieniowania neutronowego zachodzi reakcja jądrowa, powstają cząstki wtórne, które mogą być zarejestrowane przez detektor krzemowy.

LITERATURA

1. Dance B., Nuclear EMP induced chaos, Communications International, Vol. 8, 1982, s. 45–52. 2. Gautier M.K., Dantas A.R.V., Radiation effects testing for space and military applications, Test

and Measurement World, Vol. 2, 1988, s. 51–62.

3. Haas E.W., Schnoeller M.S., Phosphorus doping of silicon by means of neutron radiation, Transactions on Electron Devices, Vol. ED-23, 1976, No. 8.

4. Habas P., Stojadinovic N., Mechanisms of radiation-induced failures in power MOS, materiały konferencji MIXDES, Kraków 1999, s. 43–54.

INFLUENCE OF IONIZATION RADIATION ON SEMICONDUCTOR DEVICES AND INTEGRATED CIRCUITS

Summary

In the paper sources of ionization radiation exposures of semiconductor devices and integrated circuits are presented, and classifications of failures caused by radiation are disscused. Some examples of destcructive influence of radiation on semiconductor devices and integrated circuits are given. Application of neutron radiation to obtain doped n-type silicon and use of silicon to construct ionization detectors are described as well.