Strahlungshärtung im Weltraumzeitalter
Die hohe Strahlung im Weltraum stellt eine erhebliche Gefahr für wichtige elektronische Bauteile und Geräte im Einsatz außerhalb unserer Atmosphäre dar. Satellitenkommunikation und Erdbeobachtungsanwendungen erfordern hohe Speicherkapazitäten und unterliegen strengen Einschränkungen beim Energieverbrauch. Strahlungstolerante programmierbare und löschbare nicht-flüchtige (Permanent-) Speicher versprechen einen Durchbruch als Alternative zu einmal programmierbaren Speichern, wie sie derzeit verwendet werden. Das EU-finanzierte Projekt SKYFLASH ("Development of rad hard non volatile flash memories for space applications") wollte solche strahlungstolerante Flash-Speicher entwickeln. Für die Realisierung von nicht-flüchtigen Speichergeräten griffen die Projektpartner auf Prinzipien von terrestrischen Speichertechnologien zurück. Genauer gesagt entwickelten sie eine Methode mit "eingebauter" Strahlenhärte (radiation-hardening-by-design, RHBD) und nutzten dabei die Vorzüge der Siliziumverarbeitung für komplementäre Metalloxid-Halbleiter (CMOS). RHBD sorgt dafür, dass elektronische Bauteile beständig gegen Schäden durch Protonen, Elektronen und hochenergetische Ionen sind. Mit sehr genauen Entwurfsmethoden, die zuvor für statische Direktzugriffsspeicher (SRAM) entwickelt wurden, erforschte man RHBD für übliche Silizium-Prozesse mit 180 nm CMOS. Der finale umprogrammierbare 1-MBit-Speicher-Prototyp enthält alle Basisblöcke von nichtflüchtigen Speichern. Die Speicherzellen basierten auf einem Floating-Trap Oxid-Nitrid-Oxid (ONO)-Ansatz. Im Verlauf von SKYFLASH wurden mehrere Versuchsfahrzeuge Gamma- und Röntgenstrahlen ausgesetzt, um den Verlust von Elektronen, die in den ONO-Zellmedien gespeichert sind, zu messen. In allen Fällen zeigte der Ladungsverlust das gleiche Verhalten. Noch wichtiger war die Erkenntnis, dass der Inhalt des Speichers, selbst wenn die Daten nach einer hochintensiven Bestrahlung (im Bereich von 100 Kilorad) verloren gehen, neu geschrieben werden kann. Tests von Einzelereigniseffekten mithilfe von Protonen und Schwerionen an den gleichen Proben ergaben, dass auch bei der höchsten auf der Strahllinie (Xenon-Ionen) verfügbaren Energie keine Unterbrechungen auftraten. Strahlungsfeste nichtflüchtige Flash-Speicher eignen sich nicht nur für Raumfahrtanwendungen. Die SKYFLASH-Partner könnten neue Anwendungsfelder im Bereich der Kernenergieerzeugung und für Experimente in der Hochenergiephysik erschließen. Und obwohl sie sich auf nicht-flüchtige Siliziumspeicher konzentrierten, ist ihr Konzept auch als technische Basis für andere Siliziumbauteile bei Raumfahrtanwendungen, wie etwa Mikroprozessoren, denkbar.
Schlüsselbegriffe
Radioaktive Strahlung, Raumfahrtanwendungen, strahlungstolerant, Flash-Speicher, Speichertechnologie, eingebauter Strahlenschutz, Gesamtdosis ionisierender Strahlung, Einzelereigniseffekt, Einzelereignis-Latch-up
