深空探测如何解决空间辐射问题？
知乎抖了这么久机灵，难得能够静下心来缕缕自己学的东西来回答。请允许我从下面几个方向回答该问题（正式脸）： 一、关于空间辐射环境 空间辐射环境是不包括航天器在内的自然空间环境；空间辐射环境产生电离化的电离辐射和高能带电粒子，前者来自太阳（紫外线、x射线等），后者来自太阳耀斑（主要是质子），以及地球辐射带。目前我们粗略地把空间辐射环境分为两大类： 1）地球辐射带：由美国学者范•爱伦(Van Allen)根据美国第一颗人造地球卫星（探险者1号）的空间粒子探测器探测结果而发现的，因此我们也叫它范爱伦辐射带，其后被证明这个带是由于带电粒子被地球的地磁场捕获而形成的。其粒子分布如下图所示： 其中的质子，电子以及重离子都会使得航天器中的半导体器件发生失效（正常工作受到影响） 2）宇宙射线：主要包括银河宇宙射线（与大气层发生相互作用的宇宙射线，包含质子（84.3%）、α粒子（14.4%）和其它重离子核（1.3%））和太阳宇宙射线（主要成分是高能质子，也包含少量的（5-10%）α粒子、重离子和电子） 二、为什么这些乱七八糟的粒子会使得航天器件失效 质子：是空间辐射中最主要的辐射成分，质子入射器件材料内部时，通过卢瑟福散射（高中应该都学过），将能量传递给材料，引起原子电离或位移。高能，例如大于1MeV的质子，可有173KeV的能量传递给被橦原子，由于大于质子引起Si（半导体器件重要构成元素）原子位移的阈值能量，此时可以引起Si原子位移。 α粒子：穿透能力弱，电离本领强，与原子核发生弹性碰撞，α粒子损失能量，而原子核获得动能发生反冲，引起晶格原子位移形成缺陷，即引起辐射损伤。 电子：高能电子同物质相互作用，同α粒子类似，都因使带电粒子，会有卢瑟福散射作用。当同半导体相互作用时，同α粒子一样使半导体材料的原子电离，而产生自由电荷，例如电子空穴对。 重离子：比α粒子重的离子，包括原子序数为1~92的所有元素的离子，特点是带的能量特别高，通过半导体时同半导体相互作用，产生强烈电离，很难屏蔽。 题外话：写了一堆的器件损伤机理又删掉了，毕竟题中问的是如何解决而不是如何分析损伤机理，研读了上面几位前辈写的回答，努力做一些补充吧。接下来从不同的器件类型方向来说下解决方法。 三、硅半导体器件的辐射加固 到今天为止，CMOS已发展到纳米级极大规模（ULSI）水平，在集成电路中占据绝对优势。但是，一些特殊领域，包括SiGe微波集成电路及电源领域中的BiCMOS工艺，还是离不开Si及SiGe的双极器件。所以我们先说Si双极器件的加固： 现代的双极晶体管及电路的主要总剂量损伤机理已经较好地建立起来。电流增益的退化主要是由辐射感生的过剩基极电流引起的，这一电流是由覆盖在基极-发射极上的侧墙氧化物正电荷产生的。场氧化物同低电场共同存在的特殊性质，是低剂量率辐照比高剂量率辐照有更严重退化的原因。同样，这一机理也产生双极工艺加固的方法。向下按比例变化将提高耐辐射能力，同时可以用加固侧墙氧化物，即用接近Si-SiO2界面的氮氧化物来进行加固。SiGe BJT同加固的SiBJT相比，有更好的耐辐射能力及竞争力。这些器件未发现有低剂量率效应，适合于微波及RF应用。 MOSFET的加固方法： 从工艺上来考虑：提高栅SiO2质量，减小辐射产生的空穴陷阱密度及新生的界面态密度。例如采用优化的栅SiO2生长方法，包括优化氧化气氛、生长温度及时间，氧化后的退火气氛、温度及时间等。选择优良的终端厚介质的制备方法、提高终端厚介质的质量。采用复合栅介质，例如氮化硅加氧化硅，或CVD氧化硅加 热氧化硅，也可以提高耐总剂量电离辐射的能力。 从器件设计上来考虑：对纵向结构进行精心设计，合理选择栅SiO2厚度及终端厚介质的厚度。对终端截止环及场板的设计进行优化。 四、Ⅲ-Ⅴ族化合物器件加固 GaAs以及有关的Ⅲ-Ⅴ族化合物的晶体管，包括MESFET、HEMT以及HBT，由于具有优良的高频特性，因而非常适合于高速数字以及微波/毫米波的应用。优良的工作频率特性结合低的高频噪声和功耗，已用来发展卫星及其它的通信系统。 GaAs MESFET器件加固：利用均匀的掺杂外延层可以得到显著加固能力。另一种方法，是采用衬底接触工艺来控制半绝缘衬底的状态，这种方法是在器件沟道下面做背面金属化。 HEMT器件加固： 加入SiO2的非栅区表面钝化层。 困屁，明天接着补光电器件和硅集成电路的加固QAQ 分割线~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ 没想到写的东西竟然会有人看，感动，今天状态比较好，多写一点QAQ 五、光电器件的辐射加固 半导体光电子器件具有大的工作带宽以及高的工作速度，抗电磁干扰能力强并具有高的稳定性，低功耗及低价格，最重要的还有重量轻。由于GaAs及相关的Ⅲ-Ⅴ族化合物具有直接带隙，因此它们的光电子器件可以得到高的量子效率，，这使得它们适用于700-1600nm的宽波长范围，其中在1300nm工作的光电子器件特别适用于光纤光学，而对应的单模光纤也具有最好的辐射加固性能，因而适合于空间应用。本部分先从发光二极管，就是LED开始说： （a）LED LED多为一个异质结的pn二极管。在LED上加一正向偏压，降低n区同p区之间的势垒，产生少子注入。电子从n到p，空穴从p到n，在p-n结附近数微米内在P区及n区内均有电子同空穴的复合，同时产生自发辐射—发光。嗯，一个简短的LED工作原理介绍。 经过在地面上的实验证明：同质结LED，由于发光区较宽（p-n结附近5-10µm ）,中子辐照后产生陷阱多，抗辐射能力比较弱；但是呢~双异质结LED，发光区仅为1.5µm，中子辐照影响较小，因而抗辐射能力有所提高；还有咧~量子阱LED，发光区由极薄量子阱厚度（100nm）决定，其抗辐射能力更大大提高，所以当然要优先选取抗辐射能力比较强的器件啦~~~ （b）激光器 激光器是以发射高亮度光波为特征的相干光源，是一种光频振荡器，种类很多，着重说半导体激光器。半导体激光器的结构类似于LED，同LED的自发辐射产生较宽光谱光不同，激光器的光由受激辐射产生，其光谱窄，相位一致 ，有偏振方向，同时光的输出功率大。、 激光器的辐射损伤效应和LED相似，辐射在半导体材料中造成缺陷，使非辐射复合寿命下降，从而使量子效率 下降，阈值电流上升，造成缺陷。经过地面上的实验证明，在较高的偏压下工作时，会加强半导体激光器的抗辐射能力~ 六，体硅集成电路的辐射加固 当今，Si集成电路仍然是微电子领域中的主角，它们在国民经济及国防军工中有着广泛的应用。在反映一个国家国力的航天及战略武器的应用中，它们更起着重要的作用。为了适应航天及战略武器的苛刻辐射应用环境，保证卫星等飞行器及战略武器的安全工作，必须对它们的辐射效应及加固技术进行研究。本部分分为Si的双极集成电路及体Si CMOS和SOI CMOS集成电路。 （a）Si的双极集成电路 Si双极集成电路构成的主要元件是Si双极晶体管，因此晶体管的辐射加固是电路加固的基础。 电路中各元件需要隔离，隔离方法对电路的辐射加固起重要作用，例如采用优良的介质隔离代替传统的pn结隔离，对于瞬态剂量率辐射以及单粒子辐射都会起到较好的加固作用。介质隔离避免了寄生的pnpn结构，对于辐射引起的闩锁效应可以起到抑制作用，从而增强电路工作的可靠性。 对于电离辐射效应，电路加固的重要措施是优化电路的钝化层，使器件以及场区不因辐射引入的氧化物陷阱电荷和界面陷阱电荷导致多余的漏电电流，或因表面复合速度增加而使器件的电流增益下降。 对于中子位移效应引起的晶体管电流增益减小，可以考虑采用晶体管电流增益冗余以及自适应设计等技术。自适应电路可以在中子辐照电流下降时关闭，放大电路打开以使电路正常工作，而无辐照时自适应电路打开，放大电路关闭，电路也处于正常工作状态。 （b）Si CMOS的加固 加固的重点是MOS器件的栅SiO2及场SiO2，即提高栅SiO2及场SiO2的质量，减少SiO2中辐射产生的空穴陷阱电荷密度及辐射产生的SiO2－Si界面态密度。从加固工艺上讲，涉及因素复杂，包括硅氧化方式（湿氧，干氧，水汽氧化，高温或低温等），氧化前的处理（清洁处理，经过的工艺过程）和氧化后的退火过程（退火气氛，温度及时间），它们都对辐射加固特性均有影响。 栅SiO2厚度对MOS器件总剂量加固特性有明显影响，栅SiO2厚度对MOS器件总剂量加固特性有明显影响SiO2愈薄有愈好的抗总剂量辐射能力（Not及Nit少），但SiO2的减薄有多方面的约束，并非任意为之。 CMOS集成电路的加固相对复杂，牵涉工艺繁多，形成良好辐射加固的完整工艺所需代价较高。 （c）SOI CMOS的加固 和上面讲到的Si CMOS 相比，SOI CMOS除具有更高的工作频率、更高的可靠性以外,还具有优良的辐射加固特性,特别是具有更高的瞬态辐射加固特性及抗SEU特性。 原因:（1）器件间良好的介质隔离，防止了辐射引入的闩锁效应等。 （2）器件无底面pn结， pn结面积大为减小,场区下体硅被埋氧化物隔开,总的辐射感生电流大为减小。 但是SOI工艺中也存在一些寄生结构，在辐射环境下产生的寄生效应，在很一定程度上抵消了SOI工艺的优点。必须针对这些辐射效应，研究降低它们的方法，最终才能使SOI CMOS 达到较高的辐射加固水平和可靠性。 SOI MOS晶体管的寄生结构之一是寄生双极晶体管，它的发射极为MOS管的源，集电极为MOS管的漏，而基极则为MOS管的体硅膜。双极晶体管在辐射环境下可能被激励，从而产生附加的辐射电流。 另一个寄生结构是寄生背栅MOS晶体管，这个寄生背栅MOS晶体管的栅极是衬底背面，栅绝缘体是埋SiO2。源和漏同顶栅MOS管是公共的。具体如下图： 针对于上述的两种寄生结构的损伤，我们也采取了一系列的加固措施： 譬如将Si注入到埋SiO2中，形成电子陷阱，这些电子陷阱被填充时，它们能抵消被俘获的正电荷，从而使SiO2中总的净正电荷减少并提高辐射加固能力。 还可以降低埋SiO2辐射感生电荷的另一个方法，是在形成SIMOX材料时采用多次离子注入及退火，实验表明，它比单次注入形成埋SiO2的辐射感生退化小。 也可以利用器件结构设计技术得到减轻，一个典型的例子如下图所示。下图的源掺杂不完全穿透硅膜。当埋SiO2的辐射感生电荷使界面Si反型时，却不能在源和漏之间形成背沟道，这样便不至于造成顶栅MOS管漏电。 七.非干货部分 干货部分就写这么些了，因为不同的器件对于不同的粒子都有不同的损伤效应，都存在着不同的加固方法，上面挑了几种器件，几种粒子和几种方法写一写。 其实关于空间中半导体器件辐射加固可能很多人都不了解，但是这真的是空间技术中非常重要的一环，师兄说十二五期间国家做辐射加固花了十五亿，那么我们现在在世界上是什么水平呢？ 上一张美帝的ASIC（一种为专门目的而设计的集成电路，军用非常广泛）： 2008年美帝的加固ASIC： 总的来说就是~集成度很高，抗辐射很强，适用温度很广。我国情况：今年上海某所花了1亿左右出了一块没加固的asic。 以及美帝零八年做的1M的MRAM——一种非挥发性的磁性随机 。它拥有静态随机存储器（ ）的高速读取写入能力，以及动态随机存储器（ ）的高集成度，而且基本上可以无限次地重复写入，来自度娘百科。 今年中科院某所召开的内部会议来自上海航天某院总工的一句原话：“我们就眼巴巴地看着他们的卫星上一块块的MRAM。”来自中科院的答复：“做MRAM不是说中科院几个研究所合在一起就能做成，需要非常高的投入和很多的人才。” 以及美国的加固军用CPU—— 16位的MIL-STD-1750 ISA，可抵抗的辐射剂量率大于>十的十二次方rad(Si) /S，什么概念，就是我们现在能知道的核武器和航天辐射环境这款基本都能适用。 刚刷圈看到NASA和棒子一起做出了能自我修复的抗辐射芯片，嗯，他们应该是和咱们一个星球的吧？ 正能量：国家很重视，这几年投入很大，中科院几个研究所加上帝都双雄，还有东北某逗逼学校（好像混进了什么奇怪的东西）都在一起努力，引用我师兄的话：“我们的抗辐射很成体系了，几十年后我们也能起来，美帝能扛1M辐射随他啊，我们扛100K卫星还不是照样工作，我们的卫星皮厚啊！” 八.写给我的老师 很荣幸能成为中科院或许是国内第一批能够接受《半导体器件辐射效应》这门课的学生，在此向我的老师，做出中国第一块MOS器件的学者，刘忠立先生致敬。老爷子76高龄仍然会坐上班车每周来给我们上课，有的时候看到他步履蹒跚的样子，真的很辛酸。 感谢老师能够翻译IMEC的教材让国内对空间器件辐射有了逐步的了解。先生是黄昆大师的学生，1980年在德国多特蒙德大学留学的时候在世界上首次提出在CMOS器件里面注氮，加固栅极这一技术，然而刚做出一点成果他就急着回来了，他说他那个年代出去留学的学生想的都是早点回来为国家做点事情，然后回来之后黄昆先生没有让他继续做研究，而是去做了军工项目，先生讲到此处的时候我听出了先生带着戏谑的惋惜，更多的却还是一种无怨无悔的坚定。 上面讲的美帝做的几种NB的抗辐射器件是honeywell公司的一位台湾籍华人做的，国内曾经去找过他希望能够得到帮助或者合作，好吧我不点出这位大牛的名字，他拒绝接见了大陆的人，先生讲到这里的时候，更多是无奈吧。 我一直觉得一个国家一个民族是需要一批人的，老爷子古稀之年退休，又重新被返聘，一次次往返于各个军工研究所审核着一个个国防973项目，我未曾去过中科院的两弹一星纪念馆，我也没见过黄昆大师的真人，但是从先生身上我仿佛看到了那样一代人的影子。 在此我很想引用朋友圈里面一位航天部门工作的哈工大师兄的一条状态来结束回答： 四十日如四百日； 大漠一望孤寂； 别胡杨黑水； 庆日返航； 只一事； 修整； 望。 祝刘老师身体永远健康，祝所有在航天单位工作的师兄师姐一切顺利，我国航天事业繁荣昌盛。