确保半导体组件在绕地球轨道运行或穿越深空时能够存活。
伊恩·兰德和里卡多·博尔赫斯著
为我们的设备和系统带来活力的电子元件对我们的要求很高。当涉及到用于空间应用的半导体时，这一点尤其如此。从卫星到航天器，航空航天和国防设备必须容忍最极端的操作条件，以便安全可靠地执行其工作。
你如何确保你的半导体组件在环绕地球运行或长时间穿越深空的设备中存活和发展?
通过计算机辅助设计(TCAD)技术进行辐射建模是一项关键技术，旨在生成更高质量、更可靠、更持久的芯片，同时减少测试周期和成本。在这篇博客文章中，我们提供了用于辐射建模的TCAD概述，并强调了在评估TCAD流时要牢记的重要考虑因素。
当谈到高可靠性半导体设计时，Synopsys建议关注三个关键支柱:
容错包括系统、随机和有针对性的硬件故障和故障。在系统性问题中，故障的原因可以通过修改设计、制造工艺、操作程序和/或文件来确定和消除。随机故障就是在随机时间发生的故障，导致硬件退化。在空间系统中，辐射会引起随机故障，必须加以缓解。健壮的设计和实现流程，以及功能安全验证工具和安全机制的实现，可以帮助减少故障。事实上，完善的汽车功能安全原则可以应用于空间设计。我们的专家Ian Land和Meirav Nitzan在“太空应用中的汽车功能安全”的演讲中谈到了这个话题2021年IEEE空间计算大会．
辐射是空间半导体的主要问题。重离子被困在地球磁场中产生影响电子元件的空间辐射通常以单事件效应(SEE)的形式出现，这种效应源于单个高能粒子撞击设备。SEE会降低系统的性能，甚至导致系统的完全破坏。总电离剂量(TID)是空间辐射的另一个后果;它测量长期暴露于电离辐射的影响。
抗辐射(抗辐射)设计可以减小辐射引起的设备性能退化、中断和不连续性的影响。天基芯片还应设计成能够承受较宽的温度范围(-55°至125°C)、频繁的温度循环、电迁移和互连老化。
为了考虑与辐射有关的影响，空间应用设备在能源加速器设施中进行辐射束测试。芯片需要在测试之前制造，这意味着设计过程必须被锁定。这种测试很昂贵，而且需要在设施中预留一个有限的可用时间。如果设备未能通过测试，则必须重新运行并重新提交测试。下一个可用的测试时间可能是几个月之后，这进一步推迟了设备的生产，增加了开发成本。
通过TCAD进行辐射建模可以帮助工程师开发他们的设计，使其对辐射的影响更免疫，从而更好地准备进行辐射束测试，避免使用树脂，并减少昂贵的束时间。TCAD提供了一个或几个晶体管的三维物理表示。然后，设备工程师和芯片设计师可以模拟电气性能特征，以获得更深入的了解。如果粒子撞击晶体管，或者晶体管同时受到粒子撞击，可以模拟可能发生的情况。当粒子的能量转移到半导体时，它会产生额外的电荷粒子(电子和空穴)，这些电荷粒子将改变晶体管终端的电流;这是SEE的一个例子。在关键电路元件中，例如SRAM位单元，终端电流的变化可能导致元件逻辑状态的变化，从而导致软(非破坏性)错误。同样，辐射的累积效应也可以通过建模来检验，辐射会随着时间的推移改变晶体管的特性。有了这些见解，器件工程师和芯片设计师可以确定如何最好地选择或优化晶体管的制造工艺以及布局设计等参数，以减轻辐射影响。
3D技术建模的行业领导者，Synopsys提供广泛的TCAD解决方案组合用于工艺仿真，工艺仿真，结构编辑，以及先进逻辑，内存，电源，模拟/RF和光电子学的器件和互连仿真。我们的TCAD解决方案被全球领先的实验室用于半导体工艺建模和抗辐射应用，以其在SEE和TID事件建模方面的高精度而闻名，以提高天基设计的结果。Sentaurus过程例如，提供了三维几何建模引擎和晶体管制造中使用的掺杂和热步骤的高级建模，通过高级模型校准产生最准确的工艺模拟结果。Sentaurus设备通过硅和化合物半导体的模型、发动机和材料特性提供高精度器件仿真结果，全3D网格和先进的求解器技术加速了仿真时间。在流程中，Sentaurus Process会生成Sentaurus Device的流程结构，其中结构中的电荷收集是用于瞬态器件模拟的输入。根据粒子的能量，以及它撞击结构的位置，逻辑状态可能会发生变化，从而影响器件性能;这个TCAD流程将发现这样的问题。
当涉及到太空应用中的电子元件时，几乎没有出错的余地。使用TCAD解决方案的辐射建模为工程师提供了一种方法，可以在他们的芯片进行束流测试或部署在空间设备上之前阻止潜在的问题。更好的太空设计最终将有助于拓宽我们对太空的认识。
里卡多·博尔赫斯(Ricardo Borges)是Synopsys硅工程集团的产品营销总监。
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