光电耦合器的辐照损伤机理研究现状及趋势

摘 要： 随着光电耦合器件在空间环境和核辐射领域的广泛应用，近年来对光电耦合器件的 抗辐照性能的研究越来越多。文章主要介绍了辐照对光电耦合器的损伤机理，重点介绍了光电耦 合器的辐照效应，特别是电参数辐照效应；针对光电耦合器目前研究的情况，分析了其研究趋势，并 提出了一种新的光电耦合器辐照研究方法——低频噪声可靠性表征方法。
＜半导体光电》２００８年１０月第２９卷第５期
李应辉等： 光电耦合器的辐照损伤机理研究现状及趋势
光电耦合器的辐照损伤机理研究现状及趋势
李应辉１’２，陈春霞２，蒋 城２，刘永智１，陈向正３
（１．电子科技大学光电信息学院。四川成都６１００５４；２．重庆光电技术研究所。重庆４０００６０； ３．北大附中重庆实验学校，重庆４０１１２２）
关键词： 光电耦合器；辐照效应；辐照损伤机理 中图分类号：ＴＮ３６ 文献标识码：Ａ文章编号：１００１—５８６８（２００８）０５－－０６２１－－０４
Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｓｔａｔｕｓ ａｎｄ Ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ Ｔｒｅｎｄｓ ｏｆ Ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ Ｄａｍａｇｅ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ Ｏｐｔｏｃｏｕｐｌｅｒｓ
ＬＩ Ｙｉｎｇ－ｈｕｉｌ”，ＣＨＥＮ Ｃｈｕｎ－ｘｉａ２，ＪＩＡＮＧ Ｃｈｅｎ９２，ＬＩＵ Ｙｏｎｇ—ｚｈｉｌ，ＣＨＥＮ Ｘｉａｎｇ－ｚｈｅｎ９３ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｃｈｉｎａ，Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００５４，ＣＨＮＩ
ＬＥＤ的输出光功率主要由量子效率叩决定嘲，量子
效率定义为激发载流子之中辐射复合数所占总复合
数的比率，可表示为
刀＝Ｒ，／Ｒ＝ｒｎｒ／（ｒ。＋ｒｒ）
（１）
式中，‰为非辐射复合寿命，ｒｆ为辐射复合寿命，Ｒ，
和Ｒ分别为辐射复合率和总复合率。从式（１）可
知，要得到高的发光效率，要求辐射复合寿命越短越
好，即ｆ，≤ｆ。。当ＬＥＤ处于中子注量辐射环境下
３辐照效应研究
３．１电参数辐照效应 国外从２０世纪８０年代后期开始，系统开展了
对光电耦合器抗辐照能力的研究［１０。１６］。Ａｇｉｌｅｎｔ的 一些光电耦合器曾被使用在高强度的质子流、中子 流和７射线辐射环境。同样能量下，带电粒子的穿 透力强于中子和７射线。光电耦合器所遭受的永久 性的位移损伤大都由中子引起，高能中子击打原子， 迫使其从晶格中的常规位置移位，产生一个晶格空 位和具有空隙的原子［１７删；它们在禁带中具有能量 级并可成为重新复合的中心。相应地，载体寿命降 低，物质的有效电阻系数升高，这些将永久性地削弱 器件的性能。
收稿日期：２００８－－０９一０８．
变，从而导致器件电路参数特性退化，进而影响整机 系统寿命。为了提高光电耦合器的抗辐照能力，对 光电耦合器件的辐照研究越来越受到研究者们的重 视ｍ］。
本文首先阐述了辐照对光电耦合器产生的损伤 机理，重点介绍了光电耦合器的辐照效应，特别是电 参数辐照效应；针对光电耦合器目前的研究情况，分 析了其研究趋势，并提出了一种光电耦合器辐照研 究的新方法——低频噪声可靠性表征方法。
《半导体光电｝２００８年１０月第２９卷第５期
李应辉等： 光电耦合器的辐照损伤机理研究现状及趋势
位置随辐照量的变化而变化。低辐照时峰值一般位 于光敏器件的最佳工作点附近，可通过提高增益来 减少ＬＥＤ输出光功率的衰减对ＣＴＲ的影响。但是 当光敏器件的电流到达最佳工作电流区时，Ｊ。ＥＤ增 大就不能提高ＣＴＲ了，ＬＥＤ输出光功率的衰减对 ＣＴＲ的影响就不能减小了。由于辐照可以使得最 佳工作点的位置移动，所以辐照也就可以使得ＣＴＲ 的峰值位置移动，即随辐照的增强，ＣＴＲ的峰值位 置沿ＩＬＥＤ增大方向移动。（３）随电流强度的增大，在 相同辐照条件下，ＣＴＲ的相对衰减率会减少。这是 由于光敏管的功率取决于光功率，这也正是ＬＥＤ正 向电流增加，而ＣＴＲ值也随着增加的原因。在受 到辐射后，ＬＥＤ的输出光功率减小，光敏管光电流 降低，晶体管增益下降，因此，依赖于晶体管增益的 电流也使ＣＴＲ产生衰减；由于工作电流会随着 ＬＥＤ输出的光功率衰减而减少，所以峰值电流区域 以下的工作电流区域电流的减小会导致ＣＴＲ的进 一步衰减。另外，在低输入电流情况下，发光二极管 中以扩散电流为主，辐射复合所占总复合的比例较 大，随着输入电流增大，辐射复合的比例随之增大， 输出光功率增加，ＣＴＲ变大；当输入电流足够大时， 发光二极管中以复合电流为主，非辐射复合所占总 复合的比例增大，随着输入电流增大，非辐射复合的 比例随之增大，输出光功率下降，ＣＴＲ随之下降。
表征技术。以１／ｆ噪声为主的低频噪声广泛地存 在于各种组分和结构的半导体材料和器件中。与常 规电参数相比，低频噪声对器件内部缺陷更为敏感， 而这些缺陷用现有的测试分析手段往往难以表征。 在对半导体器件施加应力的过程中，同时监测器件 的常规电参数和低频噪声，发现在常规电参数尚未 发生变化时，低频噪声已经有了明显的增加［２副。我 们曾在光电耦合器的辐照噪声检测中亦发现了该现 象［２６］；同时，对常规电参数测量都正常的器件，可靠 性高的器件的低频噪声水平比较低；反之，可靠性低 的器件的低频噪声水平往往比前者高几倍。这些现 象已被大量的实验所证实，说明这不是个别或者偶 然的现象，而是一种普遍的规律。正是由于这些特 点，随着低频噪声理论和实验研究的进一步深入，低 频噪声的测量与分析已经成为半导体器件质量表征 和可靠性评估的一种新的手段［２７３：迄今为止，尽管 低频噪声已经用于光电耦合器可靠性的评估，但是 其方法只在实验室阶段，尚未具备通用性。同时，现 有的研究结果涉及到光电耦合器辐照低频噪声产生 的物理机制的较少，也未见有关光电耦合器辐照噪 声模型的报道。最近，已有人在研究光电耦合器噪 声时涉及到了光电耦合器的电离辐照噪声［２７＿２８］。实 验结果表明，随着总剂量增强，辐射导致发光部分和 光敏部分表面态陷阱、悬挂键陷阱、氧化层陷阱等增 加，因而噪声幅值在增加。
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｏｐｔｏｃｏｕｐｌｅｒ；ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ；ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ ｄａｍａｇｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ
１ 引言
光电子器件和集成电路的辐照效应及其抗辐照 能力一直以来是国际广泛关注的热点研究领域，也 是国内今后多年重点研究的课题之一。由于光电耦 合器具有体积小、寿命长、无触点、抗干扰能力强等 优点，同时，伴随着光电混合集成电路技术的发展和 生产工艺的日趋成熟，光电耦合器被广泛应用在军 用和民用领域。太空中存在的天然高辐射、地球表 面存在的低辐射，以及核爆炸产生的强辐射口３都将 给器件带来多种不同程度的损伤。核爆炸环境下， 器件主要面临中子注量辐射、剂量率辐射和总剂量 辐射［１］，这些辐射使半导体材料的电学性能发生改
万方数据
伴随着电离效应。
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等效光子流／（×１０１，出ｍ２）
图２不同辐照类型下光电耦合器电流传输比变化
３．２ 噪声辐照效应研究 国外很早就开始研究半导体器件可靠性的噪声
时，因未辐射前的ｒｒ已经很短，辐射对它的影响程
度较小，但对于辐射前较长的ｒ。而言，辐射后其相
对降低较大。发光二极管的发光区在矿ｎ结附近，
辐照后，该区域内产生大量辐射体缺陷，俘获载流
子，产生非辐射复合，使非辐射寿命‰降低较快。
发光二极管中子注量辐照和总剂量辐照引起的光功
ＰＬ（抑。可务 率退化满足如下公式［６］： ｐ
光敏晶体管是一种相当于在基极和集电极之间 接有光电二极管的晶体三极管。它的功能一是完成 光电转换，二是实现光电流放大。光敏晶体管对中 子和电离辐射都很敏感［７］。中子辐射使光电晶体管 基区少数载流子寿命减少，从而使光敏晶体管增益 减少，也减少了集电极电流。中子辐射产生的载流
·６２２·
万方数据
子去除效应使集电区的体电阻增加，使饱和压降增 加［８］。光敏晶体管的ｓｉ０。钝化层经总剂量辐射后， 在ＳｉＯ。／ｓｉ界面产生正电荷累积和界面态，使这种 器件增益和暗电流特性随总剂量辐射而退化。作者 曾在发光二极管和光敏晶体管辐照理论的基础上建 立了辐照条件下光电耦合器的电流传输比（ＣＴＲ） 模型曲］。从该模型可知，随着辐射剂量增强，ＣＴＲ 下降，根据光电耦合器的各参数，可估计出不同辐照 剂量下光电耦合器的ＣＴＲ值。
Ｔ．Ｆ．Ｍｉｙａｈｉｒａ和Ａ．Ｈ．Ｊｏｈｎｓｔｏｎ等人∞０’２扣 详细研究了辐照对光电耦合器的影响，辐照下电流 传输比随输入电流变化趋势如图１。从图１可知： （１）随辐照强度的增大，ＣＴＲ逐渐减小；（２）随发光 二极管输入电流ＪＬＥＤ的增大，ＣＴＲ变化趋势是先增 大后减小的，存在一个ＣＴＲ峰。但是峰值出现的
２基本原理研究
光电耦合器通常是由发光二极管（ＬＥＤ）和光敏 晶体管两部分组成。当对输入端ＬＥＤ施加电信号 时，ＬＥＤ将产生相应的光信号，光信号被光电晶体
万方数据
ＳＥＭＩＣＯＮＤＵＣＴＯＲ ＯＰＩ’０ＥＬＥＣＴＲｏＮＩＣＳ Ｖ０１．２９ Ｎｏ．５
Ｏｃｔ．２００８
管探测到后转换为电信号，从而实现了电一光一电转
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ａｓ ｗｉｄｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｏｐｔｏｃｏｕｐｌｅｒｓ ｉｎ ｓｐａｃｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ａｎｄ ｎｕｃｌｅａｒ ｒａｄｉａｔｉｏｎ， ｍｏｒｅ ａｎｄ ｍｏｒｅ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｓ ｆｏｃｕｓ ｏｎ ｉｔｓ ａｎｔｉ—ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ．Ｔｈｅ ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ ｄａｍａｇｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｓｔａｔｕｓ，ｉｔｓ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｔｒｅｎｄｓ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ａ ｎｅｗ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ，ｌｏｗ－ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｎｏｉｓｅ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ。ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．
换，实现了输入与输出间的电信号单向隔离传输。
光电耦合器的辐射响应相当复杂，不仅与发射和接
收元件有关，而且与耦合的介质有关，但光电耦合器
辐照原理的研究目前大多建立在发光二极管和光敏
晶体管的辐照原理基础之上。
２．１ 发光二极管辐照研究
半导体发光二极管（ＬＥＤ）是在适当的正向偏置
状态下，能把电能转换为光能的固体发光器件。
Ｒ．Ｍａｎｇｅｒｅｔ等人［１妇对不同光电耦合器在总剂 量辐照下电流传输比的退化进行了研究。结果表 明，电离辐照在ＬＥＤ中引入空间电荷和新的界面 态陷阱¨］，这些缺陷俘获载流子，产生非辐射复合， 使辐射后非辐射复合寿命降低较大，降低了ＬＥＤ 的量子效率，从而降低了ＬＥＤ的输出光功率；另外， 晶体管受电离辐照后，由于钝化层中引入氧化层陷 阱电荷，基区表面复合速度和表面处非平衡电子浓 度增大，使基极表面复合电流增加，三极管增益下 降。故随着电离剂量增强，光电耦合器的电流传输 比减少，两者负关联。Ｋ．Ａ．ＬａＢｅｌ［２］，Ａ．Ｈ． ＪｏｈｎｓｔｏｎＥ３－２引，Ｂ．Ｇ．ＲａｘＥｌ０１和Ｒ．Ｇｅｒｍａｎｉｃｕｓ等 人［２１－ｚ２３在对光电耦合器的辐照研究中，也得到了类 似的结论。
Ｑ）
式中，Ｐ。ｃＤ是辐照后发光二极管的输出光功率， ＰＬ（０，是辐照前发光二级管的输出光功率，ｋ。是发光 二极管辐照寿命损伤常数，庐是辐照注量或剂量。 对于不同辐照类型、不同的材料，ｋ。值不同［６］。 ＬＥＤ在脉冲电离辐射下将产生光电流，产生的光电 流满足
Ｉｖ一１０－８ＩｔＤ
（３）
式中，Ｊｆ为ＬＥＤ正向工作电流，Ｄ为剂量率。当剂 量率为１０８Ｇｙ／ｓ时，发光二极管的光电流与ＬＥＤ的 正向工作电流在同一数量级。 ２．２ 光敏晶体管辐照研究
２．Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕwk.baidu.comｅ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０００６０，ＣＨＮ；
３．Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ ｔｈｅ Ａｆｒｉｌｌｅｄ Ｈｉ【ｇｈ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｐｅｋｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０１ １２２，ＣＨＮ）
ｌ∞｜丸 图１辐照前后电流与ＣＴＲ的关系图
Ｊ．Ｌ．Ｇｏｒｅｌｉｃｋ等人［２们研究了光电耦合器在不 同辐照类型下的电参数变化，电流传输比的变化如 图２所示。从中可以看出中子辐照较总剂量辐照对 器件损伤更大。这主要是由于电离总剂量辐照主要 引起电离效应，即表面效应，而在中子辐照过程中， 除了大部分中子辐照引起的位移效应，即体效应外， 还伴随着少量７射线引起的电离效应。另外，位移 效应本身就对器件产生极大的永久性损伤，加之又