导语：在现代电子设备中，存储单元扮演着至关重要的角色，从手机消费品、工业设备、汽车电子、医疗设备、几乎都有一颗甚至多颗“记忆体”。然而，这些设备产品中的存储单元(Flash、SRAM、DRAM、ROM等）可能会发生”无缘无故”的失效。特别是对于户外高海拔装置、航天控制系统，辐射对其影响不容忽视。本文将探讨辐射对存储器件的失效影响，分析其机理，并提出相应的改进措施。

一、辐射类型

要理解辐射对存储器件的影响，首先需明确辐射的核心分类标准—— 根据能量是否能使物质原子发生电离，辐射可分为两大类，且只有特定类型的辐射会导致存储器件失效。

1.1 电离辐射（存储失效的 “主因”）

定义：能量高于物质原子电离能（通常＞10eV），能使原子中的核外电子脱离原子核束缚，形成带电离子的辐射。

常见类型：γ 射线、X 射线、高能电子（β 射线）、中子、重离子（如质子、氦离子）等。

关键特性：能量高、穿透力强，既能改变存储器件的电子态（如产生电荷积累），也能破坏原子排列（如导致晶格移位），是引发存储器件失效的核心辐射类型。

图1 辐射引发SRAM FPGA失效

1.2 非电离辐射（无存储失效风险）

定义：能量低于物质原子电离能，无法使原子电离，仅能引发原子振动加剧或电子能级跃迁（电子不脱离原子核）的辐射。

常见类型：射频、红外线、可见光、微波等。

关键特性：能量低、作用温和，既无法在存储器件中产生电离电荷，也不能将晶格原子“撞出原位”，因此几乎不会导致存储器件和其它器件的辐射失效。

二、电离辐射引发的存储失效机理：三类核心“伤害路径”

电离辐射对存储器件的失效影响，通过三种独立且明确的机理实现—— 总电离剂量效应（TID）、位移效应（DD）、单粒子效应（SEE）。这三类机理均由电离辐射引发，但作用方式、影响特点完全不同，逐一说明如下：

2.1 总电离剂量效应（TID）：“累积的电荷伤害”

2.1.1 定义与机理

总电离剂量（Total Ionizing Dose，TID）：指电离辐射在存储器件材料（如硅、氧化层）中产生的“总电离电荷密度”，单位通常为 krad (Si)（每克硅吸收辐射能量对应的电离电荷）。

失效机理：电离辐射（如γ 射线、X 射线）照射时，会在器件的 “氧化层”（如 MOS 管栅氧化层、存储电容介质层）中产生大量 “电子 - 空穴对”。其中，电子迁移速度快，会迅速被电极收集；但空穴迁移慢，易被氧化层缺陷 “困住”（形成 “氧化层陷阱电荷”），或在氧化层与硅衬底界面形成 “界面态”。随着辐射剂量累积，这些电荷和界面态会形成 “寄生电场”，改变器件电学特性。

2.1.2 对不同存储器的失效影响

2.1.3 关键特点

累积性：即使单次辐射剂量低，长期照射后总剂量达到阈值（商用器件通常10-100 krad (Si)，航天级需＞1000 krad (Si)），仍会导致永久失效；

普遍性：所有依赖氧化层/ 介质层的存储器均受影响，无 “豁免类型”。

2.2 位移效应（DD）：“晶格缺陷的破坏”

2.2.1 定义与机理

位移效应（Displacement Damage）：指电离辐射中的“高能粒子”（如中子、重离子）撞击存储器件半导体晶格，使晶格原子脱离原位置，形成 “空位 - 间隙原子对”（弗伦克尔缺陷）的失效机理。

失效逻辑：高能粒子的动量传递给晶格原子，使其获得足够能量“跳出” 平衡位置 —— 空位（原子离开后的空缺）和间隙原子（脱离原位的原子）会成为 “载流子障碍”：要么阻碍电子 / 空穴运动，降低载流子迁移率；要么改变存储单元的电荷存储能力，最终破坏 “0/1” 数据状态。

2.2.2 对不同存储器的失效影响

2.2.3 关键特点

瞬时性：单次高能粒子撞击即可产生缺陷，无需剂量累积；

针对性：对晶格结构敏感的存储器（如DRAM、SRAM）影响更显著，对无晶格依赖的器件（如部分新型闪存）影响较弱。

2.3 单粒子效应（SEE）：“单个粒子的精准打击”

2.3.1 定义与机理

单粒子效应（Single Event Effect，SEE）：指电离辐射中“单个高能粒子”（如重离子、质子）穿过存储器件时，在局部区域产生大量电子 - 空穴对，引发器件逻辑状态异常或功能失效的机理。

失效逻辑：单个高能粒子（能量通常＞MeV）在器件中形成 “电荷轨迹”，局部电荷密度极高 —— 若这些电荷被存储单元（如 SRAM 的触发器、DRAM 的电容）收集，会瞬间改变单元的电荷平衡：例如 SRAM 中触发器的 “0” 状态被瞬间 “冲翻” 为 “1”，DRAM 电容中的电荷被瞬间中和，导致数据错误。

2.3.2 SEE 的主要类型及对存储器的影响

SEE 并非单一失效模式，根据影响程度可分为 “软失效”（可恢复）和 “硬失效”（永久损坏）：

2.3.3 关键特点

随机性：粒子撞击位置、时间不可预测，失效具有偶发性；

高风险场景：航天（宇宙射线中的重离子）、核工业（辐射源附近）等场景中，SEE 发生概率显著升高。

三、存储器件抗辐射失效的措施：多层级防护体系

针对上述三类失效机理，从“器件设计 - 制造工艺 - 系统应用” 三个层面构建防护体系，覆盖不同辐射场景需求：

3.1 器件设计：从 “源头” 提升抗辐射能力

3.1.1 针对 TID 的设计优化

氧化层加固：采用“高纯度氧化层制备工艺”（如原子层沉积 ALD），减少氧化层中的初始缺陷，降低陷阱电荷产生概率；

界面态抑制：在氧化层与硅衬底间引入“氮化物缓冲层”，减少辐射引发的界面态生成。

3.1.2 针对位移效应的设计优化

晶格结构强化：采用“应变硅技术”，通过应力增强晶格原子间的结合力，减少粒子撞击导致的原子移位；

冗余晶格设计：在存储单元周围设置“备用晶格区域”，即使部分晶格出现缺陷，也可通过电路切换启用备用区域。

3.1.3 针对 SEE 的设计优化

抗SEU 存储单元：SRAM 采用 “双互锁存储单元（DICE）”，通过 4 个晶体管形成交叉反馈结构，单个粒子撞击无法改变状态；DRAM 增加 “电荷冗余电容”，提高抗电荷扰动能力；

SEL 防护电路：在存储芯片供电端串联“电流限制器”，一旦发生 SEL 导致电流激增，立即切断供电，避免器件烧毁。

3.2 制造工艺：减少 “先天缺陷”

抗辐射材料选用：采用“高纯度硅片”（杂质含量＜10¹⁵ atoms/cm³），减少辐射引发缺陷的 “靶点”；Flash 的隧道氧化层采用 “多层氧化 - 氮化 - 氧化（ONO）结构”，提升抗电荷陷阱能力；

工艺参数优化：离子注入过程中控制“低能量、低剂量”，减少注入对晶格的损伤；退火工艺采用 “快速热退火（RTA）”，消除制造过程中产生的初始晶格缺陷。

3.3 系统应用：“后天补救” 降低失效影响

3.3.1 软件层面

错误检测与纠正（EDAC）：在存储系统中集成“汉明码”“BCH 码” 等纠错电路，实时检测 SEU 导致的数据错误并自动纠正；对重要数据采用 “三重校验码”，提升纠错能力；

定期数据刷新：针对TID 导致的 DRAM 数据保持时间缩短，通过软件设置 “动态刷新周期”，根据辐射环境强度调整刷新频率。

3.3.2 硬件层面

辐射屏蔽：在存储器件外部设置“重金属屏蔽层”（如铅、钨合金），削弱 γ 射线、X 射线的穿透力；航天场景中采用 “多层屏蔽结构”（铝 + 聚乙烯），同时屏蔽重离子和中子；

冗余设计：采用“三模冗余（TMR）”—— 三个相同存储模块同时存储数据，通过 “多数表决” 输出正确结果，即使一个模块因 SEE 失效，也不影响系统运行；重要数据采用 “冷热备份”，主存储失效时立即切换至备份存储。

结语：随着技术的发展，新型存储器如MRAM、RRAM和FRAM展现出比传统SRAM和DRAM更好的抗辐射特性，在航空航天和核工业等辐射环境中具有广阔应用前景。