導語：在現代電子設備中，存儲單元扮演著至關重要的角色，從手機消費品、工業設備、汽車電子、醫療設備、幾乎都有一顆甚至多顆“記憶體”。然而，這些設備產品中的存儲單元(Flash、SRAM、DRAM、ROM等）可能會發生”無緣無故”的失效。特別是對于戶外高海拔裝置、航天控制系統，輻射對其影響不容忽視。本文將探討輻射對存儲器件的失效影響，分析其機理，并提出相應的改進措施。

一、輻射類型

要理解輻射對存儲器件的影響，首先需明確輻射的核心分類標準—— 根據能量是否能使物質原子發生電離，輻射可分為兩大類，且只有特定類型的輻射會導致存儲器件失效。

1.1 電離輻射（存儲失效的 “主因”）

定義：能量高于物質原子電離能（通常＞10eV），能使原子中的核外電子脫離原子核束縛，形成帶電離子的輻射。

常見類型：γ 射線、X 射線、高能電子（β 射線）、中子、重離子（如質子、氦離子）等。

關鍵特性：能量高、穿透力強，既能改變存儲器件的電子態（如產生電荷積累），也能破壞原子排列（如導致晶格移位），是引發存儲器件失效的核心輻射類型。

圖1 輻射引發SRAM FPGA失效

1.2 非電離輻射（無存儲失效風險）

定義：能量低于物質原子電離能，無法使原子電離，僅能引發原子振動加劇或電子能級躍遷（電子不脫離原子核）的輻射。

常見類型：射頻、紅外線、可見光、微波等。

關鍵特性：能量低、作用溫和，既無法在存儲器件中產生電離電荷，也不能將晶格原子“撞出原位”，因此幾乎不會導致存儲器件和其它器件的輻射失效。

二、電離輻射引發的存儲失效機理：三類核心“傷害路徑”

電離輻射對存儲器件的失效影響，通過三種獨立且明確的機理實現—— 總電離劑量效應（TID）、位移效應（DD）、單粒子效應（SEE）。這三類機理均由電離輻射引發，但作用方式、影響特點完全不同，逐一說明如下：

2.1 總電離劑量效應（TID）：“累積的電荷傷害”

2.1.1 定義與機理

總電離劑量（Total Ionizing Dose，TID）：指電離輻射在存儲器件材料（如硅、氧化層）中產生的“總電離電荷密度”，單位通常為 krad (Si)（每克硅吸收輻射能量對應的電離電荷）。

失效機理：電離輻射（如γ 射線、X 射線）照射時，會在器件的 “氧化層”（如 MOS 管柵氧化層、存儲電容介質層）中產生大量 “電子 - 空穴對”。其中，電子遷移速度快，會迅速被電極收集；但空穴遷移慢，易被氧化層缺陷 “困住”（形成 “氧化層陷阱電荷”），或在氧化層與硅襯底界面形成 “界面態”。隨著輻射劑量累積，這些電荷和界面態會形成 “寄生電場”，改變器件電學特性。

2.1.2 對不同存儲器的失效影響

2.1.3 關鍵特點

累積性：即使單次輻射劑量低，長期照射后總劑量達到閾值（商用器件通常10-100 krad (Si)，航天級需＞1000 krad (Si)），仍會導致永久失效；

普遍性：所有依賴氧化層/ 介質層的存儲器均受影響，無 “豁免類型”。

2.2 位移效應（DD）：“晶格缺陷的破壞”

2.2.1 定義與機理

位移效應（Displacement Damage）：指電離輻射中的“高能粒子”（如中子、重離子）撞擊存儲器件半導體晶格，使晶格原子脫離原位置，形成 “空位 - 間隙原子對”（弗倫克爾缺陷）的失效機理。

失效邏輯：高能粒子的動量傳遞給晶格原子，使其獲得足夠能量“跳出” 平衡位置 —— 空位（原子離開后的空缺）和間隙原子（脫離原位的原子）會成為 “載流子障礙”：要么阻礙電子 / 空穴運動，降低載流子遷移率；要么改變存儲單元的電荷存儲能力，最終破壞 “0/1” 數據狀態。

2.2.2 對不同存儲器的失效影響

2.2.3 關鍵特點

瞬時性：單次高能粒子撞擊即可產生缺陷，無需劑量累積；

針對性：對晶格結構敏感的存儲器（如DRAM、SRAM）影響更顯著，對無晶格依賴的器件（如部分新型閃存）影響較弱。

2.3 單粒子效應（SEE）：“單個粒子的精準打擊”

2.3.1 定義與機理

單粒子效應（Single Event Effect，SEE）：指電離輻射中“單個高能粒子”（如重離子、質子）穿過存儲器件時，在局部區域產生大量電子 - 空穴對，引發器件邏輯狀態異常或功能失效的機理。

失效邏輯：單個高能粒子（能量通常＞MeV）在器件中形成 “電荷軌跡”，局部電荷密度極高 —— 若這些電荷被存儲單元（如 SRAM 的觸發器、DRAM 的電容）收集，會瞬間改變單元的電荷平衡：例如 SRAM 中觸發器的 “0” 狀態被瞬間 “沖翻” 為 “1”，DRAM 電容中的電荷被瞬間中和，導致數據錯誤。

2.3.2 SEE 的主要類型及對存儲器的影響

SEE 并非單一失效模式，根據影響程度可分為 “軟失效”（可恢復）和 “硬失效”（永久損壞）：

2.3.3 關鍵特點

隨機性：粒子撞擊位置、時間不可預測，失效具有偶發性；

高風險場景：航天（宇宙射線中的重離子）、核工業（輻射源附近）等場景中，SEE 發生概率顯著升高。

三、存儲器件抗輻射失效的措施：多層級防護體系

針對上述三類失效機理，從“器件設計 - 制造工藝 - 系統應用” 三個層面構建防護體系，覆蓋不同輻射場景需求：

3.1 器件設計：從 “源頭” 提升抗輻射能力

3.1.1 針對 TID 的設計優化

氧化層加固：采用“高純度氧化層制備工藝”（如原子層沉積 ALD），減少氧化層中的初始缺陷，降低陷阱電荷產生概率；

界面態抑制：在氧化層與硅襯底間引入“氮化物緩沖層”，減少輻射引發的界面態生成。

3.1.2 針對位移效應的設計優化

晶格結構強化：采用“應變硅技術”，通過應力增強晶格原子間的結合力，減少粒子撞擊導致的原子移位；

冗余晶格設計：在存儲單元周圍設置“備用晶格區域”，即使部分晶格出現缺陷，也可通過電路切換啟用備用區域。

3.1.3 針對 SEE 的設計優化

抗SEU 存儲單元：SRAM 采用 “雙互鎖存儲單元（DICE）”，通過 4 個晶體管形成交叉反饋結構，單個粒子撞擊無法改變狀態；DRAM 增加 “電荷冗余電容”，提高抗電荷擾動能力；

SEL 防護電路：在存儲芯片供電端串聯“電流限制器”，一旦發生 SEL 導致電流激增，立即切斷供電，避免器件燒毀。

3.2 制造工藝：減少 “先天缺陷”

抗輻射材料選用：采用“高純度硅片”（雜質含量＜10¹? atoms/cm³），減少輻射引發缺陷的 “靶點”；Flash 的隧道氧化層采用 “多層氧化 - 氮化 - 氧化（ONO）結構”，提升抗電荷陷阱能力；

工藝參數優化：離子注入過程中控制“低能量、低劑量”，減少注入對晶格的損傷；退火工藝采用 “快速熱退火（RTA）”，消除制造過程中產生的初始晶格缺陷。

3.3 系統應用：“后天補救” 降低失效影響

3.3.1 軟件層面

錯誤檢測與糾正（EDAC）：在存儲系統中集成“漢明碼”“BCH 碼” 等糾錯電路，實時檢測 SEU 導致的數據錯誤并自動糾正；對重要數據采用 “三重校驗碼”，提升糾錯能力；

定期數據刷新：針對TID 導致的 DRAM 數據保持時間縮短，通過軟件設置 “動態刷新周期”，根據輻射環境強度調整刷新頻率。

3.3.2 硬件層面

輻射屏蔽：在存儲器件外部設置“重金屬屏蔽層”（如鉛、鎢合金），削弱 γ 射線、X 射線的穿透力；航天場景中采用 “多層屏蔽結構”（鋁 + 聚乙烯），同時屏蔽重離子和中子；

冗余設計：采用“三模冗余（TMR）”—— 三個相同存儲模塊同時存儲數據，通過 “多數表決” 輸出正確結果，即使一個模塊因 SEE 失效，也不影響系統運行；重要數據采用 “冷熱備份”，主存儲失效時立即切換至備份存儲。

結語：隨著技術的發展，新型存儲器如MRAM、RRAM和FRAM展現出比傳統SRAM和DRAM更好的抗輻射特性，在航空航天和核工業等輻射環境中具有廣闊應用前景。