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耐放射線処理とは、電子部品や回路を、高レベルの電離放射線（粒子放射線および高エネルギー電磁放射線）による損傷や誤動作に対して耐性を持たせるプロセスです。 [ 1 ]特に、宇宙空間（特に低軌道外）、原子炉や粒子加速器周辺、または原子力事故や核戦争時の環境において重要です。
ほとんどの半導体電子部品は放射線損傷を受けやすく、耐放射線（放射線耐性）部品は、非耐放射線部品をベースに、放射線損傷に対する感受性を低減する設計および製造上の変更を加えたものです。マイクロエレクトロニクスチップの耐放射線設計には需要が少なく、開発と試験に多大な時間を要するため、耐放射線チップの技術は最新の開発に比べて遅れをとる傾向があります。[ 2 ]また、一般的に市販品よりも高価です。[ 2 ]
耐放射線製品は、通常、総電離線量（TID）、低線量率増強効果（ELDRS）、中性子および陽子による変位損傷、単一事象効果（SEE）など、1つ以上の結果効果試験に対して試験されます。
高レベルの電離放射線が存在する環境では、特別な設計上の課題が生じます。1つの荷電粒子が数千個の電子をはじき飛ばし、電子ノイズや信号スパイクを引き起こします。デジタル回路の場合、これは不正確または理解不能な結果を引き起こす可能性があります。これは、衛星、宇宙船、将来の量子コンピュータ[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] 、軍用機、原子力発電所、核兵器の設計において特に深刻な問題です。このようなシステムの適切な動作を保証するために、軍事市場または航空宇宙市場向けの集積回路およびセンサーの製造業者は、さまざまな耐放射線方法を採用しています。結果として得られるシステムは、耐放射線、放射線耐性、または（文脈によっては）耐放射線性であると言われます。
電子機器が電離放射線に曝される典型的な発生源としては、衛星の場合はヴァン・アレン帯、センサーや制御回路の場合は発電所の原子炉、制御電子機器（特に粒子検出器）の場合は粒子加速器、チップパッケージ材料中の同位体からの残留放射線、宇宙船や高高度航空機の場合は宇宙放射線、そして潜在的にすべての軍事用および民生用電子機器の場合は核爆発が挙げられる。
二次粒子は、電子機器周辺の構造物と他の種類の放射線との相互作用によって発生する。
2つの基本的な損傷メカニズムが発生する。
格子変位は、中性子、陽子、アルファ粒子、重イオン、および非常に高エネルギーのガンマ光子によって引き起こされます。これらは結晶格子内の原子の配置を変化させ、永続的な損傷を生み出し、再結合中心の数を増加させ、少数キャリアを枯渇させ、影響を受けた半導体接合のアナログ特性を悪化させます。直感に反して、短時間で高線量を照射すると、損傷した格子が部分的にアニーリング（「修復」）され、同じ線量を長時間にわたって低強度で照射した場合（LDRまたは低線量率）よりも損傷の程度が低くなります。この種の問題は、ベース領域の少数キャリアに依存するバイポーラトランジスタで特に重要です。再結合による損失の増加は、トランジスタのゲインの低下につながります（中性子効果を参照）。 ELDRS（強化低線量率感受性）フリーとして認証されたコンポーネントは、0.01 rad(Si)/s = 36 rad(Si)/h 未満のフラックスでは損傷を示しません。
電離効果は、格子効果を引き起こすにはエネルギーが低すぎるものも含め、荷電粒子によって引き起こされます。電離効果は通常一時的なもので、グリッチやソフトエラーを引き起こしますが、他の損傷メカニズム（ラッチアップなど）を誘発すると、デバイスの破壊につながる可能性があります。紫外線やX線放射によって発生する光電流も、このカテゴリに属する可能性があります。MOSFETトランジスタの酸化膜層に正孔が徐々に蓄積すると、性能が悪化し、線量が十分に高い場合はデバイスの故障に至ります（総電離線量効果を参照）。
その影響は、放射線の種類、総線量と放射線束、放射線の種類の組み合わせ、さらにはデバイスの負荷の種類（動作周波数、動作電圧、粒子が衝突した瞬間のトランジスタの実際の状態）など、あらゆるパラメータによって大きく異なるため、徹底的なテストは困難で、時間がかかり、多くのテストサンプルが必要となります。
「エンドユーザー」への影響は、いくつかのグループに分類できる。
半導体格子と相互作用する中性子は、格子内の原子を変位させます。これにより、再結合中心と深準位欠陥の数が増加し、少数キャリアの寿命が短くなるため、CMOSデバイスよりもバイポーラ デバイスに影響が大きくなります。シリコン上のバイポーラ デバイスは、10 10～ 10 11中性子/cm 2のレベルで電気的パラメータの変化を示す傾向がありますが、CMOS デバイスは 10 15中性子/cm 2まで影響を受けません。デバイスの感度は、集積度の向上と個々の構造のサイズの縮小に伴って増加する可能性があります。また、中性子活性化によって引き起こされる誘導放射能のリスクもあり、これは高エネルギー天体物理学機器における主要なノイズ源です。誘導放射線は、構成材料中の不純物からの残留放射線とともに、デバイスの寿命中にあらゆる種類のシングルイベント問題を引き起こす可能性があります。オプトカプラによく用いられるGaAs LEDは、中性子に対して非常に敏感である。格子損傷は結晶発振器の周波数に影響を与える。荷電粒子の運動エネルギー効果（すなわち格子変位）もこれに該当する。
総電離線量効果は、電離放射線への曝露によって半導体格子に生じる累積的な損傷（格子変位損傷）を表します。これはラドで測定され、デバイスの性能を徐々に低下させます。シリコンベースのデバイスに数秒から数分程度の時間で5000ラドを超える総線量が照射されると、長期的な劣化を引き起こします。CMOSデバイスでは、放射線によってゲート絶縁層に電子-正孔対が生成され、 [ 9 ]これらの再結合時に光電流が発生します。また、絶縁体の格子欠陥に捕捉された正孔は持続的なゲートバイアスを生成し、トランジスタのしきい値電圧に影響を与え、N型MOSFETトランジスタのオンを容易にし、P型MOSFETトランジスタのオンを困難にします。蓄積された電荷は、トランジスタを永久に開いたまま（または閉じたまま）にするのに十分な高さになる可能性があり、デバイスの故障につながります。時間の経過とともにある程度の自己修復が行われますが、この効果はそれほど大きくありません。この効果は、高集積高速エレクトロニクスにおけるホットキャリア劣化と同じです。水晶発振器は放射線量にやや敏感で、放射線量によって周波数が変化します。掃引水晶を使用することで、この感度を大幅に低減できます。天然水晶は特に敏感です。全電離線量（TID）試験の放射線性能曲線は、すべての結果効果試験手順について作成できます。これらの曲線は、TID試験プロセス全体における性能傾向を示し、放射線試験報告書に含まれています。
一時的な線量効果は、通常、核爆発時に発生する短時間の高強度放射線パルスによって引き起こされます。高線量の放射線は半導体全体に光電流を発生させ、トランジスタをランダムにオンにし、フリップフロップやメモリセルの論理状態を変化させます。パルスの持続時間が長すぎる場合、またはパルスによって接合部損傷やラッチアップが発生する場合は、永久的な損傷が発生する可能性があります。ラッチアップは、核爆発のX線やガンマ線フラッシュによってよく発生します。水晶発振器は、水晶に誘起される即時光伝導により、フラッシュの間発振を停止することがあります。
SGEMP効果は、放射線フラッシュが機器内を通過する際に、チップ、回路基板、電線、筐体などの材料に局所的な電離と電流を引き起こすことによって生じます。
シングルイベント効果 (SEE) は 1970 年代から広く研究されてきました。[ 10 ] 高エネルギー粒子が半導体を通過すると、イオン化された軌跡が残ります。このイオン化により、過渡線量効果に似た局所的な効果、つまり出力の無害なグリッチ、メモリやレジスタのあまり無害ではないビット反転、特に高出力トランジスタでは破壊的なラッチアップや焼損が発生する可能性があります。シングルイベント効果は、衛星、航空機、その他の民間および軍事航空宇宙用途の電子機器にとって重要です。ラッチを含まない回路では、SEE の持続時間を超えて回路の応答時間を遅くするRC時定数回路を導入することが役立つ場合があります。
SETは、電離現象によって蓄積された電荷が、回路を流れる偽信号という形で放電される際に発生します。これは事実上、静電放電の効果であり、ソフトエラーとみなされ、可逆的です。
電子機器におけるシングルイベントアップセット（SEU）または過渡放射線効果とは、単一のイオンがチップと相互作用することによってメモリまたはレジスタビットの状態が変化する現象です。デバイスに永続的な損傷を与えることはありませんが、このようなエラーから回復できないシステムには永続的な問題を引き起こす可能性があります。それ以外の場合は、可逆的なソフトエラーです。非常に感度の高いデバイスでは、単一のイオンが複数の隣接するメモリセルでマルチビットアップセット（MBU）を引き起こす可能性があります。SEUは、ステートマシンなどの制御回路を乱し、デバイスを未定義または誤った状態、テストモード、または停止状態にすると、シングルイベント機能割り込み（SEFI ）になる可能性があり、その場合、回復するにはリセットまたは電源の再投入が必要になります。
SELは、寄生PNPN構造を持つあらゆるチップで発生する可能性があります。2つの内部トランジスタ接合のうちの1つを重イオンまたは高エネルギー陽子が通過すると、サイリスタのような構造がオンになり、デバイスの電源が再投入されるまで「短絡」状態（ラッチアップと呼ばれる現象）が続きます。この現象は電源と基板の間で発生する可能性があるため、破壊的な大電流が流れ、部品が故障する可能性があります。これはハードエラーであり、不可逆です。バルクCMOSデバイスが最も影響を受けやすいです。
シングルイベントスナップバックはSELに似ていますが、PNPN構造を必要とせず、イオンがドレイン接合付近に衝突して電荷キャリアの雪崩増倍を引き起こすことで、大電流をスイッチングするNチャネルMOSトランジスタで発生します。するとトランジスタは開いたままになり、不可逆的なハードエラーとなります。
パワーMOSFETにおいて、ソース領域直下の基板が順方向バイアスされ、ドレイン・ソース間電圧が寄生構造の降伏電圧を超えた場合に、SEB（ソース間電圧降下）が発生する可能性がある。その結果生じる大電流と局所的な過熱により、デバイスが破壊される可能性がある。これはハードエラーであり、不可逆的である。
SEGRは、ゲートに高電圧が印加されている状態で重イオンがゲート領域に衝突した際に、パワーMOSFETで観測されます。その結果、二酸化ケイ素の絶縁層に局所的な破壊が生じ、ゲート領域が局所的に過熱・破壊されます（まるで微細な爆発のように見えます）。これは、書き込み時や消去時に比較的高い電圧が印加されるEEPROMセルでも発生する可能性があります。これは深刻なエラーであり、修復不可能です。
陽子ビームは入手しやすさからSEE試験に広く用いられているが、低エネルギーでは陽子照射によってSEE感受性を過小評価してしまうことが多い。さらに、陽子ビームはデバイスを全電離線量（TID）故障のリスクにさらし、陽子試験の結果を曇らせたり、デバイスの早期故障を引き起こしたりする可能性がある。最も代表的なSEE試験方法とされる白色中性子ビームは、通常、固体ターゲットベースの線源から得られるため、中性子束の不均一性とビーム面積の小ささが生じる。また、白色中性子ビームはエネルギースペクトルに一定の不確実性があり、熱中性子含有量が高い場合が多い。
陽子源と核破砕中性子源の両方の欠点は、SEE 試験に単一エネルギー 14 MeV 中性子を使用することで回避できます。潜在的な懸念は、単一エネルギー中性子によって誘発される単一イベント効果が、広帯域大気中性子の実際の効果を正確に表さないことです。しかし、最近の研究では、それとは逆に、単一エネルギー中性子、特に 14 MeV 中性子は、現代のマイクロエレクトロニクスにおける SEE 断面積をかなり正確に理解するために使用できることが示されています。[ 11 ]
耐放射線チップは、通常の半導体ウェハではなく、絶縁基板上に製造されることが多い。シリコン・オン・インシュレーター（SOI）とシリコン・オン・サファイア（SOS ）が一般的に使用されている。通常の商用グレードのチップは50～100グレイ（5～10krad ）の線量に耐えることができるが、宇宙グレードのSOIおよびSOSチップは1000～3000グレイ（100～300krad ）の線量に耐えることができる。[ 12 ] [ 13 ]かつては、多くの4000シリーズチップが耐放射線バージョン（RadHard）で入手可能だった。[ 14 ] SOIはラッチアップイベントを排除するが、TIDおよびSEE耐性が向上するとは限らない。[ 15 ]
バンドギャップの広い基板を選択すると、深準位欠陥に対する耐性が高くなります。例えば、炭化ケイ素や窒化ガリウムなどです。
特殊なプロセスノードを使用することで、耐放射線性が向上します。[ 16 ]新しい耐放射線プロセスの開発コストが高いため、2016 年時点で最小の「真の」耐放射線プロセス (RHBP、プロセスによる耐放射線) は 150 nm ですが、 「真の」耐放射線プロセス (RHBD、設計による耐放射線 )で使用される技術の一部を使用した耐放射線 65 nm FPGA が利用可能でした。[ 17 ] 2019 年現在、110 nm 耐放射線プロセスが利用可能です。[ 18 ]
バイポーラ集積回路は一般的にCMOS回路よりも放射線耐性が高い。低電力ショットキー（LS）5400シリーズは1000kradに耐えることができ 、多くのECLデバイスは10,000kradに耐えることができる 。[ 14 ]従来とは異なる物理構造を持つエッジレスCMOSトランジスタと従来とは異なる物理レイアウトを組み合わせることも効果的である。[ 19 ]
磁気抵抗RAM、またはMRAMは、耐放射線性、書き換え可能、不揮発性導体メモリを提供する有力な候補と考えられています。物理原理と初期のテストでは、MRAMは電離によるデータ損失の影響を受けにくいことが示唆されています。[ 20 ]
コンデンサベースのDRAMは、より堅牢な（ただし、より大きく、より高価な）SRAMに置き換えられることが多い。SRAMセルは、通常のセル（4Tまたは6T）よりも多くのトランジスタを備えているため、消費電力とサイズが大きくなる代わりに、SEUに対する耐性が高くなる。[ 21 ] [ 17 ]
パッケージを放射線から遮蔽することは、裸のデバイスへの被ばくを減らすために簡単である。[ 22 ]
中性子放射線や材料の中性子活性化から保護するために、チップを保護するホウリンケイ酸ガラスのパッシベーション層に枯渇ホウ素（同位体ホウ素11のみで構成）を使用することで、チップ自体を遮蔽することが可能です。これは、自然界に存在するホウ素10が容易に中性子を捕獲し、アルファ崩壊を起こすためです（ソフトエラーを参照）。
エラー訂正コードメモリ（ECCメモリ）は、冗長ビットを使用して破損したデータをチェックし、必要に応じて修正します。放射線の影響は、システムがRAMにアクセスしていないときでもメモリの内容に損傷を与えるため、「スクラバー」回路がRAMを継続的にスキャンする必要があります。スクラバー回路は、データを読み出し、冗長ビットのデータエラーをチェックし、修正内容をRAMに書き戻します。
システムレベルで冗長要素を使用することができます。3つの独立したマイクロプロセッサボードがそれぞれ独立して計算を行い、その結果を比較します。少数派の結果を出したシステムは再計算を行います。同じシステムで繰り返しエラーが発生した場合に、そのボードをシャットダウンするようなロジックを追加することも可能です。
冗長要素は回路レベルで使用できます。[ 23 ] 1ビットを3ビットに置き換え、各ビットに個別の「投票ロジック」を使用して結果を継続的に決定できます（三重モジュラー冗長）。これによりチップ設計の面積が5倍になるため、より小さな設計に限定する必要があります。しかし、リアルタイムで「フェイルセーフ」であるという二次的な利点もあります。1ビットの障害（放射線とは無関係である可能性があります）が発生した場合、投票ロジックはウォッチドッグタイマーに頼ることなく正しい結果を生成し続けます。3つの独立したプロセッサシステム間のシステムレベルの投票では、一般的に、3つのプロセッサシステム間で投票を実行するために、何らかの回路レベルの投票ロジックを使用する必要があります。
強化されたラッチを使用することができます。[ 24 ]
ウォッチドッグタイマーは、オンボードプロセッサからの書き込み操作など、システムが稼働していることを示す何らかのシーケンスが実行されない限り、システムを強制的にリセットします。通常動作時、ソフトウェアはタイマーがタイムアウトしないように、一定間隔でウォッチドッグタイマーへの書き込みをスケジュールします。放射線によってプロセッサが正しく動作しなくなった場合、ソフトウェアがウォッチドッグタイマーをクリアするのに十分な精度で動作する可能性は低くなります。最終的にウォッチドッグタイマーがタイムアウトし、システムを強制的にリセットします。これは、他の放射線耐性対策に対する最終手段と考えられています。
耐放射線性および耐放射線性のコンポーネントは、ポイントオブロード（POL）アプリケーション、衛星システム電源、降圧スイッチングレギュレータ、マイクロプロセッサ、FPGA、[ 25 ] FPGA電源、高効率低電圧サブシステム電源など、軍事および航空宇宙アプリケーションでよく使用されます。
しかし、すべての軍用グレードの部品が耐放射線仕様になっているわけではありません。例えば、米国のMIL-STD-883には多くの放射線関連の試験が含まれていますが、シングルイベントラッチアップ周波数の仕様はありません。フォボス・グルント宇宙探査機が失敗したのは、同様の想定によるものかもしれません。[ 15 ]
宇宙用途で使用される耐放射線電子機器の市場規模は、2021年には23億5000万ドルと推定された。新しい研究では、これが2032年までに約47億6000万ドルに達すると推定されている。[ 26 ] [ 27 ]
電気通信において、核耐性という用語は、次の意味を持ちます。1)特定の核環境において、システム、施設、またはデバイスの性能がどの程度低下すると予想されるかを表す表現、2)核放射線および電磁パルス (EMP)を含む環境下での生存を可能にするシステムまたは電子部品の物理的特性。