上海光机所等在纳秒强流激光质子束辐照芯片效应方面取得进展

上海光机所在纳秒强流激光质子束辐照芯片效应方面取得重要进展

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所超强激光科学与技术全国重点实验室联合中国科学院微电子研究所、上海科技大学，在纳秒强流激光质子束辐照芯片效应研究方面取得重要进展。相关成果以"Upsetting SRAM units with laser-driven nanosecond proton flash"为题，发表于Applied Physics Reviews。

高能射线粒子会引发电子芯片逻辑状态改变、功能紊乱甚至失效。当前，芯片与器件的损伤机理研究主要依靠传统加速器，其流强相对较低，脉冲宽度在微秒以上。超短超强激光驱动的质子束天然具有短脉冲、高流强的特点，为极端辐射条件下芯片与器件的超快动力学效应研究提供了全新途径。

研究团队依托上海光机所拍瓦飞秒激光装置，利用强激光与微米厚铝箔相互作用加速质子束，经磁四极磁透镜（PMQ）系统能量筛选与聚焦后，在芯片辐照位置获得中心能量约8 MeV、脉宽2.3纳秒的准单能质子束，瞬时通量高达5.5×10¹⁷ ions/cm²/s，较传统加速器提升约十个数量级。对130 nm和180 nm SOI工艺SRAM芯片的辐照实验发现，在激光驱动超高流强纳秒质子束辐照下，芯片位翻转截面较传统加速器低通量测试结果增强2.2—3.8倍，最高达到10^-13 cm²/bit。

研究团队利用Geant4与TCAD联合模拟进一步揭示了"时间堆积"增强机制：当连续质子到达同一敏感单元的时间间隔缩短至数百皮秒以内时，前序质子激发的载流子尚未完全收集与复合，后续质子的电荷沉积不断叠加，使瞬态电流显著增强、存储节点电压逐步抬升，最终突破翻转阈值，大幅提高了位翻转概率。

本工作首次在原理上验证了纳秒强流激光质子束激发的非线性辐射效应，为研究硅基器件在极端辐射条件下的超快动力学提供了一种新途径，在激光聚变产生瞬态辐射下的器件响应、模拟太阳耀斑等极端天体辐射事件等方面具有重要应用前景。

该工作得到了中科院先导B类专项、国自然基础科学中心、国家重点研发计划青年科学家、上海市启明星、中科院稳定支持基础研究青年团队和上海市东方英才等项目的支持。

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图1 (a) 实验布置示意图。(b)-(d) 质子束在靶后、聚焦平面及芯片辐照位置的空间分布；(e) 到达芯片处的质子能谱；(f) 高通量纳秒质子辐照下SRAM芯片MOS管中电子-空穴对的产生、漂移与扩散过程示意图。

图2 (a) 激光驱动质子源与传统加速器测得的SRAM芯片翻转截面对比；(b)-(c) 两种辐照条件下130纳米芯片存储阵列中翻转位置的空间分布。

图3 Geant4与TCAD模拟结果。(a) Geant4模拟中的SOI芯片结构；(b) 10⁵个质子入射并穿过灵敏层后，Y=0处X–Z平面内的总能量沉积分布；(c) 单个质子穿过灵敏层所产生的电子–空穴对密度沿深度平均后的横向分布；(d) TCAD模拟中PMOS结构的二维示意图（质子入射于PMOS沟道中心）；(e) 七个质子以不同时间间隔相继入射所诱导的瞬态电流；(f) 相应的SRAM存储节点电压V(QB)（初始值为0 V）的瞬态演化；(g) 不同时间间隔下连续质子轰击所引起的节点电压V(QB)峰值。