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随着半导体器件集成度的不断提高，大规模集成电路越来越多地应用在航天器及辐射环境中，辐射环境中的带电粒子和电子在集成电路中产生的电离总剂量效应，严重影响了设备的可靠性及工作寿命!
γ光子或高能离子在集成电路的材料中电离产生电子—空穴对，电子空穴随即发生复合、扩散和漂移，最终在氧化层中形成氧化物陷阱电荷或者在氧化层与半导体材料的界面处形成界面陷阱电荷，使器件的性能降低甚至失效。γ光子或高能离子在单位质量的材料中电离沉积的能量称作剂量，随着剂量的增加，器件性能逐渐降低；当剂量积累到一定程度时，器件功能失效，这种现象称为电离总剂量效应。
研究表明：随辐射电离总剂量的增加，n-MOS管的功能退化过程是当剂量积累到一定程度，导致晶体管的阈值电压过零时，其准静态电流增大，如果许多n-MOS晶体管的准静态电流增大，汇总起来，就是器件的功耗电流增大；随辐射电离总剂量的继续增加，阈值电压漂移越来越大，原来该截止的晶体管导通（或相反）时，器件会出现逻辑功能错误，引起数据错误或运算错误。
固体辐射物理主要是面向航天和国防、军工行业，重点开展半导体材料与电子器件的辐射效应、损伤机理研究。通过观测和研究各类射线粒子与材料相互作用中的物理效应、发现和阐明新的效应机制，为电子器件的抗辐射加固提出新方法、新技术、新型介质材料，为航天和军工领域与新型器件的应用开发奠定科学理论基础。
1 辐射因素
电子系统的应用环境不同，所遇到的辐射因素也不同，产生的效应和影响也各不相同，因而系统设计者必须采取不同措施进行加固。
辐射因素主要包括辐射总剂量、瞬时辐射剂量率、积分中子通量、单粒子扰动效应、电磁脉冲效应等。这些效应会使微电子元器件及集成电路的性能衰减，出现逻辑错误或永久性损坏，严重影响电子系统的可靠性，甚至完全不能工作。因而微电子元器件及集成电路的抗辐射加固技术的研究是军用和空间电子系统能在这些环境下可靠工作的保证。
2 抑制电离辐射效应的设计
在自然环境中,宇宙射线、太阳增强粒子、具有能量的质子和中子都产生单粒子效应（SEE），高能单粒子穿过MOS器件时，就在其轨道上产生高密度的电子－空穴对，它们导致电路产生局部带电区。单粒子效应一般可分为单粒子闭锁（SEL）和单粒子扰动（SEU）。 采用电路和版图设计技术，能提高商用CMOS工艺的SEL和SEE免疫能力，这些技术增加了单元面积，减小了速度，增加电源消耗，最主要的是使价格最低。
3 抗辐射材料
50年代人们开始研究半导体材料的辐射效应。几十年来相继提出了锗材料、硅材料、SOS材料、SOI材料、GaAs材料以及最近几年提出来的金刚石材料和铁电材料等，其中研究最多、最成熟的是硅材料。硅材料是制作微电子元件及集成电路的主要材料，也是制作抗辐射加固器件的主要材料，其次是SOS和GaAs。
硅材料的优点人所共知，而且抗辐射能力强，能适用一般辐射环境，因此得到广泛应用。SOS材料也比较成熟，SOS器件的抗辐射能力比硅强，缺点是SOS晶片易碎，晶片面积比硅片小，芯片成品率极低，成本高等。在特殊辐射环境下，必须不惜成本采用SOS材料。GaAs材料的研究进展十分迅速，现在已经达到实用化阶段。由于GaAs器件的速度比其他材料的器件高5～10倍，抗总剂量辐射能力强，在军用领域受到高度重视。SOI材料最近几年迅速成熟，SOI器件的抗辐射能力与SOS器件相当，但成本比SOS器件低得多，将来有可能取代SOS材料。金刚石材料是最近几年才提出来的，现在还处在研究的初期阶段。初步研究结果表明，金刚石材料是制作抗辐射能力强的微电子器件的理想材料，很有发展前途。铁电材料，是最近新提出来的抗辐射能力很强的材料，与硅材料结合起来能研制出抗辐射能力很强的器件。因而微电子元件及集成电路设计者必须根据器件结构、器件功能、制造工艺及应用环境对抗辐射能力的要求进行综合考虑，认真选择材料。
4 集成电路抗辐射加固技术
4.1硅集成电路的抗辐射加固技术
（1）双极电路的加固
硅双极电路广泛用作模拟电路和数字电路。由于介质隔离技术和常规双极加固技术能满足空间辐射环境的要求，所以是早期军用和航空航天用的主流集成电路。由于双极集成电路的集成度受到限制，所以无法与其他技术，特别是CMOS技术相争，在数字集成电路领域内，逐渐被其他集成电路所代替。由于模拟电路要求高速、高精度，目前仍以双极技术为主，今后将逐步向CMOS及Bi－CMOS方向发展。已开发的抗辐射加固电路有TTL、ECL等。
但是，双极电路的抗辐射总剂量只有CMOS或SOI的1/100～1/10、GaAs器件的1/1000，所以从发展观点看，双极电路的加固，不是进一步研究的对象。
（2）CMOS电路的加固
由于CMOS集成电路结构上的特点，所以具有功能强、功耗低、集成度高、抗中子辐射能力强等特点，体硅CMOS加固技术是继双极加固技术之后迅速发展起来的一种加固技术。低功耗CMOS器件是卫星电子系统及其他空间电子系统应用的理想器件。因而，早期主要研究与自然空间辐射环境有关的辐射总剂量加固。后来，由于核武器爆炸环境对集成电路提出新的要求，所以除继续研究抗总剂量辐射加固技术之外，对瞬时γ剂量率及宇宙射线引起的单粒子扰动效应等也进行了深入的研究。采用介质隔离、保护环及减薄氧化层的方法提高了CMOS电路的抗辐射能力，哈里斯公司采用介质隔离方法研制出加固的体硅CMOS64k位SRAM，已应用到卫星上。IBM公司和HoneyWell公司研制出辐射加固CMOS256k位SRAM。CMOS加固技术得到肯定，成为加固数字电路的主流技术。但是，加固的CMOS64k位SRAM的芯片面积比SOS和SOI64k位SRAM大4倍，速度低1/2。芯片面积大意味着体积大、比较重，所以在空间应用领域受到一定的限制。
4.2SOS技术
SOS技术是合成兰宝石绝缘衬底上制作硅CMOS集成电路。介质隔离CMOS技术和SOS技术是RCA公司在60年代和70年代为开发商业应用的高速器件而开发的，商业应用已经成熟，稍加改进便可用来制作抗辐射加固器件。CMOS/SOS器件与硅CMOS器件相比，解决了器件的闭锁问题，对单粒子扰动效应和瞬时γ剂量率辐射不如CMOS敏感，所以大大提高了抗单粒子扰动和瞬时γ剂量率辐射能力。
SOS64k位SRAM的抗辐射能力比硅CMOS64k位SRAM高10～100倍，已用在许多卫星上。实践证明SOS技术是军用系统中的有效加固技术，SOS加固器件的抗辐射能力，随器件种类和芯片集成度的不同而各异。例如SOS64k位SRAM抗中子辐射能力为1010～1011rads(Si)，抗单粒子扰动能力为10～9错误/位·天。
SOS加固技术存在的主要问题是晶片贵，容易碎，晶片面积小（目前最大只有75mm），芯片成品率低，由于硅和兰宝石层间应力的影响，使SOS器件的集成度受到限制。目前SOS器件的设计规则为1.25μm。
4.3SOI技术
SOI技术是在绝缘衬底上形成单晶硅制作数字电路和模拟电路的技术。SOI器件具有速度快、集成度高、工作温度范围宽（高温达350℃）、无闭锁效应、抗辐射能力强及工艺简单等特点，可用这种技术发展高密度、低功耗、高速VLSI、高温高压和三维集成电路，有可能取代其他加固技术，因此受到高度重视。
SOI技术的关键是材料制作。SOI技术存在的问题是需要昂贵的离子注入设备，如果加强投资，SOI技术会比其它技术发展更快，成为抗辐射加固的主要技术。
4.4GaAs技术
GaAs集成电路不仅具有高速、高频、功率大、功耗低、工作温度范围宽（－200～400℃）等特点，而且抗γ总剂量辐射能力比SOI和SOS技术高3个数量级，抗中子辐射能力与SOI和SOS相当，所以该技术受到军方的高度重视。1975年到1983年美国国防部投资700万美元研制GaAs数字集成电路，以后逐年增加投资，1990年达到1900万美元。现在已研制出16k位SRAM，3门级门阵列和多种微波器件。抗总剂量辐射能力高达109～1010rads(Si)，抗中子辐射能力达到1015n/cm2，但是抗瞬时γ剂量率能力较低，只达到107rads(Si)/s的水平，对单粒子扰动效应较为敏感，其水平为10－7～10－3错误/位·天。
GaAs加固技术目前存在的问题是，晶片尺寸小、芯片集成度低、成品率低、成本高等，在其他技术的冲击下，使GaAs技术在抗辐射加固微电子领域中的应用受到限制，只有在要求抗γ总剂量辐射能力高及需要高速处理的特殊情况下才被选用，所以GaAs技术当前主要用于微波和毫米波单片集成电路。
4.5金刚石技术
上述各种加固技术还不能完全满足高强度、大剂量辐射环境的要求，其原因仍是材料本身的问题。最近几年，人们发现了金刚石材料，它具有其他电子材料无法比拟的特性，击穿电压高达3.5×106V/cm，饱和电子迁移率高达2.5×107cm/s，热导率高达1100W/m·K，几乎是高纯铜的3倍，介电系数只有5.7，适合制作高频、大功率、高温和抗辐射能力强的微电子器件，是抗辐射加固的理想材料。
由于金刚石材料不受热效应的限制，所以用金刚石材料制作集成电路不仅能实现高集成度，而且可在600～700℃的高温下工作，并具有特别强的抗辐射能力。例如用这种材料制作的FET，可在510℃下工作，热敏电阻可在600℃下工作，肖特基二极管可在700℃下工作。因而，金刚石材料制作的器件可以直接装入飞机引擎和核反应堆中进行性能监控，不用担心在高温和核辐射环境下性能恶化。由于金刚石器件能够大量减少控制热的系统或设备，所以适用于卫星等空间电子系统。大规模集成电路的优质材料的计算数据表明，金刚石材料比硅材料好32倍，微波和毫米波单片集成电路优质材料的计算数据表明，金刚石材料比硅材料好8200倍，比GaAs材料好1200倍。金刚石薄膜还是集成电路芯片所需的性能良好的表面钝化膜，能大大提高芯片的可靠性和稳定性。
由于金刚石材料具有上述特点，所以人们进行了大量的研究工作。美国在过去的4年中投资1300万美元研究金刚石材料，日本于1984年就投资2.5亿日元来实施使金刚石薄膜商品化的计划。日本专家预测2000年人造金刚石材料的市场将达到750万美元，到21世纪初，金刚石材料将作为一种重要的半导体材料发挥巨大的作用，金刚石器件将成为下一代抗辐射能力最强的器件。
4.6铁电微电子器件
铁电材料具有介电系数高，机械耦合系数大，热电响应和光电效应好等特点，并有自发的极化特性，用外加电场控制极化方向、极化强度和极化电场的关系曲线类似于铁磁材料的磁滞回线。1983年后，铁电材料的制备技术日益成熟，铁电器件的制作技术与硅和GaAs技术兼容。由于该材料具有极好的铁电、光电及电压特性，所以适用于光集成电路、抗辐射加固铁电非易失性存贮器、256M位DRAM的制作。
现在，美国一些公司已经研制出16k位铁电RAM，1994年日本公司研制出64k位铁电RAM。铁电非易失性存贮器与硅EEPROM相比，显著的特点是抗辐射能力极强，试制产品的抗γ总剂量辐射能力达到10Mrads以上，抗γ瞬时剂量率能力大于1011rads(Si)/s，抗中子辐射能力达到105n/cm2,无单粒子扰动效应，速度快，工作温度范围宽（－100～＋300℃），是军事战略战术系统、航空航天电子系统所需的重要微电子器件。所以铁电器件在军用、空间和民用领域有很好的发展前途。
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