低能質(zhì)子在半導(dǎo)體材料Si和GaAs中的非電離能損

周志祥

(三江學(xué)院，江蘇 南京 210012)

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低能質(zhì)子在半導(dǎo)體材料Si和GaAs中的非電離能損

周志祥

(三江學(xué)院，江蘇 南京 210012)

分析了新型光電器件在常規(guī)空間輻射環(huán)境下，電子器件所產(chǎn)生的一系列位移型損傷及對(duì)應(yīng)成因。經(jīng)多次對(duì)比實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，其位移損傷和器件失效主要由非電離能損(NIEL)所誘發(fā)。其根本損耗來(lái)源為：在低能空間狀態(tài)下，庫(kù)侖間的相互作用力將凸顯，并逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位。而當(dāng)前主要采用的散射微分截面法，如Mott-Rutherford型散射法，均無(wú)法有效屏蔽核外電子間存在的庫(kù)侖作用力影響，從而導(dǎo)致大量非電離能損產(chǎn)生。由此，文中結(jié)合非電離能損特性及成因，在解析算法基礎(chǔ)上結(jié)合Monte-Carlo推衍方法，以SRIM程序模擬并推算出較精確的低能質(zhì)子在半導(dǎo)體材料(以Si、GaAS為例)中的NIEL數(shù)值量級(jí)，同時(shí)參照薄靶近似思想改良實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)規(guī)律表明，能量總值為1 keV的低能質(zhì)子材料中NIEL評(píng)測(cè)數(shù)值量級(jí)大約為GaAs質(zhì)子材料的1/5、Summers數(shù)值量級(jí)的1/3，這一結(jié)果將為航天材質(zhì)設(shè)計(jì)和改良提供重要的參考。

低能質(zhì)子；半導(dǎo)體材料；NIEL非電離能損；Si、GaAs

現(xiàn)今航空作業(yè)當(dāng)中，長(zhǎng)時(shí)間工作的飛行器在宇宙輻射影響下，內(nèi)部電子器件和光電器件將隨著時(shí)間延長(zhǎng)逐漸老化，性能降低的同時(shí)出現(xiàn)間歇性失靈的狀況。對(duì)于衛(wèi)星設(shè)備或是空間宇宙飛行器等高精度航天設(shè)備將產(chǎn)生致命的影響，嚴(yán)重情況下有可能造成作業(yè)失誤、脫離軌道甚至操作系統(tǒng)癱瘓、飛行器失靈墜毀[1]。輻射對(duì)電子器件的影響效能中，非電離能損(NIEL)占據(jù)主導(dǎo)因素，使內(nèi)部材質(zhì)在常年輻射后逐漸變性失效。然而傳統(tǒng)航天器件保護(hù)的主要研究方向?yàn)殡婋x輻射屏蔽，隨著新型光電器件的應(yīng)用，材質(zhì)改變使得空間輻射中NIEL成為主要器件損耗源[2]。屏蔽的器件內(nèi)部在原子庫(kù)侖力場(chǎng)作用下的位移能損急劇增大，從而大幅影響器件效能和使用壽命。本文從影響器件壽命的主要損耗源NIEL分析出發(fā)，通過程序模擬和實(shí)驗(yàn)找出材質(zhì)保護(hù)的途徑[3]。

1 輻射質(zhì)子能損NIEL計(jì)算

1.1 主要參數(shù)分析

通常情況下，在進(jìn)行光電器件位移能損量級(jí)預(yù)測(cè)時(shí)，衰減程度只需要核算初始損傷及第一級(jí)入射粒子碰撞能耗和次級(jí)粒子的能量沉積即可。不過多次對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，目前投入使用的各類半導(dǎo)體光電器件在位移能損條件下，性能削減程度與微觀器件內(nèi)原子間庫(kù)侖場(chǎng)距作用下的非電離能量傳遞損失量呈正比關(guān)系。據(jù)此可建立起關(guān)系參量NIEL的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，繼而反映出相應(yīng)時(shí)刻半導(dǎo)體光電器件中粒子的性能衰變程度，從而為材料的物理參量到工程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化，提供直觀的信息參考[4]。

此外，為保障器件輻射環(huán)境下的穩(wěn)定工作，需要詳細(xì)的定向屏蔽加固技術(shù)。而對(duì)于大多數(shù)光電器件，空間輻射位移損傷中低能質(zhì)子貢獻(xiàn)占比高達(dá)1/3以上。因此，以下主要針對(duì)低能質(zhì)子開展對(duì)于Si、GaAs半導(dǎo)體材質(zhì)的非電離能損研究。

1.2 空間輻射造成的NIEL模擬及計(jì)算

NIEL的常規(guī)計(jì)算方法[5]為

(1)

不過在典型的質(zhì)子或 類粒子位移損傷的NIEL分析中，常采用Mott-Rutherford截面法統(tǒng)計(jì)。又考慮到輕重離子之間庫(kù)侖場(chǎng)屏蔽效應(yīng)的差異狀態(tài)，從而采用解析法配合Monte-Carlo，在SRIM程序環(huán)境下計(jì)算半導(dǎo)體材質(zhì)的NIEL閾值。文獻(xiàn)[6]采用的庫(kù)侖場(chǎng)屏蔽方程為ZBL普適散射微分截面函數(shù)，計(jì)算如下

(2)

入射原子將自身能量通過碰撞傳遞給目標(biāo)原子，繼而產(chǎn)生次級(jí)粒子位移能耗，從而造成位移損傷，將傳遞給目標(biāo)原子的能耗記為Ev，計(jì)算如下

(3)

綜合利用式(2)和式(3)關(guān)系可推出NIEL解析式

(4)

需要注意的是，原子下限位移閾能對(duì)于不同原子取值不同，通常狀態(tài)下Si取值21 eV，而對(duì)于GaAs則取10 eV。

為了對(duì)照驗(yàn)證NIEL解析理論推導(dǎo)式的正確性和擬合程度，將上述參量輸入到SRIM程序中進(jìn)行模擬，并分ioniz.txt和vacancy.txt進(jìn)行分類輸出。以圖1表示反應(yīng)模擬結(jié)果與解析函數(shù)結(jié)果的對(duì)照偏移關(guān)系[7]?？梢缘贸鼋Y(jié)論，在輻射產(chǎn)生入射能量的數(shù)值上，3種量級(jí)的原子曲線在初始段和末尾段偏離解析曲線較多。經(jīng)數(shù)據(jù)分析和理論推導(dǎo)猜測(cè)，可能由于初始狀態(tài)下輻射能量較高，在能量傳遞初期與目標(biāo)原子的相互作用較小，狀態(tài)無(wú)法精確定量，因而起伏較大。而末尾段相應(yīng)由于剩余能離散較大，NIEL數(shù)值更為貼近解析結(jié)果。

按照輸出單位總能量損耗，以初始入射原子總能量逐斷相減，得出入射粒子與原子能量傳遞級(jí)數(shù)，即粒子穿透深度的關(guān)系曲線，繼而得到輻射能量與NIEL的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖1 Messenger計(jì)算得出結(jié)果與解析結(jié)果對(duì)比

2 結(jié)論與數(shù)據(jù)分析

2.1 模擬與解析結(jié)果

圖2和圖3分別對(duì)應(yīng)解析函數(shù)曲線和SRIM程序模擬曲線，并均以Si和GaAs作為目標(biāo)原子，計(jì)算入射能量與NIEL的關(guān)系[8]。

圖2 質(zhì)子在Si材料中NIEL與輻射能量的關(guān)系

2.2 數(shù)據(jù)分析

從數(shù)據(jù)結(jié)果來(lái)看，解析法結(jié)果更為貼近Messenger。對(duì)比兩圖可知，低能狀態(tài)下曲線擬合均較為貼近真值，隨著能量遞增，兩種方法結(jié)果均低于Summers早期結(jié)果，可見庫(kù)侖屏蔽后，低能質(zhì)子范圍內(nèi)的NIEL在兩種材料中均顯著減小[9]。而在縱向比較中，可知在GaAs介質(zhì)材料中產(chǎn)生的NIEL值小于在Si材料中的NIEL值，顯然GaAs材料在航天光電器件和半導(dǎo)體組件裝配上性能更佳。

圖3 質(zhì)子在GaAs材料中的NIEL與輻射能量的關(guān)系

此外，還需要特別注意的是，由于以上兩種方法均只考慮質(zhì)子庫(kù)侖相互作用下的低能質(zhì)子狀態(tài)，未涉及到影響較弱的相對(duì)論和潛在的多種核反應(yīng)，因此在實(shí)際應(yīng)用中還需要進(jìn)行匹配試驗(yàn)和性能測(cè)試。

3 結(jié)論驗(yàn)證

在實(shí)際情況中，非電離能損僅占據(jù)總輻射能損中的一小部分，甚至不到1%。然而在實(shí)際材料損耗中，非電離能損卻是造成新型光電器件性能衰減和壽命縮短的主要因素[10]。經(jīng)過理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得出，常規(guī)狀態(tài)下NIEL值與器件性能參數(shù)呈正比，因此NIEL的半導(dǎo)體材質(zhì)數(shù)據(jù)將可以反映出光電器件或半導(dǎo)體器件的性能狀態(tài)。以10 MeV作為統(tǒng)一基準(zhǔn)進(jìn)行歸一化擬合，可得到圖4由曲線規(guī)律可知在10 MeV以下的低能范圍內(nèi)吻合程度良好，但出現(xiàn)部分溢出異常值。此外，GaAs材質(zhì)的NIEL數(shù)據(jù)結(jié)果與電池的材質(zhì)損傷程度存在一定范圍內(nèi)的線性比率，說明本文的計(jì)算結(jié)果具有一定的現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)?？稍谖磥?lái)的航天新型半導(dǎo)體器件及光電器件中采用NIEL模擬來(lái)進(jìn)行器件性能評(píng)定和參數(shù)考核[11-12]。

圖4 質(zhì)子在GaAs材料中的NIEL與對(duì)應(yīng)材質(zhì)太陽(yáng)能電池相對(duì)損傷系數(shù)的關(guān)系

4 結(jié)束語(yǔ)

本文采用解析法和SRIM程序擬合法計(jì)算了半導(dǎo)體材質(zhì)Si和GaAs的NIEL值，并將考慮庫(kù)侖效應(yīng)后的數(shù)據(jù)結(jié)果與其他同類型實(shí)驗(yàn)參量逐一比較。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，庫(kù)侖場(chǎng)距作用納入考量標(biāo)準(zhǔn)后，進(jìn)行過庫(kù)侖屏蔽的材料中質(zhì)子間NIEL效應(yīng)減弱，數(shù)值相較未考慮庫(kù)侖屏蔽效應(yīng)大幅減小。可見損耗來(lái)源主要為NIEL，同時(shí)基于SRIM程序的模擬方法比較接近真實(shí)曲線，薄靶近似法相對(duì)適用。且數(shù)據(jù)規(guī)律表明，能量總值為1 keV的低能質(zhì)子材料中NIEL評(píng)測(cè)數(shù)值量級(jí)約為GaAs質(zhì)子材料的1/5、Summers數(shù)值量級(jí)的1/3，這一結(jié)果為航天材質(zhì)設(shè)計(jì)和改良提供發(fā)參考。

[1] 何寶平,陳偉,王桂珍.CMOS器件60Coγ射線、電子和質(zhì)子電離輻射損傷比較[J].物理學(xué)報(bào),2006,55(7):3546-3551.

[2] 王朝壯,羅文蕓,查元梓,等.空間質(zhì)子屏蔽材料優(yōu)化選擇的蒙特卡羅模擬[J].輻射防護(hù)，2007,27(2):79-86.

[3] 黃紹艷,劉敏波,郭曉強(qiáng),等. InGaAs P器件質(zhì)子位移損傷等效性研究[J]. 原子能科學(xué)技術(shù),2016, 50(9):1701-1705.

[4] 王同權(quán),沈永平. 空間輻射環(huán)境中的輻射效應(yīng)[J].國(guó)防科技大學(xué)學(xué)報(bào),1999(4):36-39.

[5] 唐欣欣.低能質(zhì)子在半導(dǎo)體材料Si和GaAs中的非電離能損研究[J].物理學(xué)報(bào), 2008,57(2):1266-1270.

[6] 王同權(quán).高能質(zhì)子輻射效應(yīng)研究[D].長(zhǎng)沙:國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué),2003.

[7] 朱金輝,韋源,謝紅剛,等.300 eV～1GeV質(zhì)子在硅中非電離能損的計(jì)算[J].物理學(xué)報(bào)， 2014, 63(6):182-187.

[8] 路偉,王同權(quán),王興功,等. 基于Geant4模擬質(zhì)子在半導(dǎo)體Si材料中的NIEL值[J].計(jì)算物理，2011, 34(7):529-531.

[9] 樊勝,王傳珊,羅文蕓,等. 中高能質(zhì)子導(dǎo)致的空間材料的非電離能損研究[C].昆明:全國(guó)核反應(yīng)會(huì)暨生物物理與核物理學(xué)科交叉前沿研討會(huì), 2007.

[10] 王慶艷.低能質(zhì)子輻射硬質(zhì)硼硅玻璃的模擬計(jì)算[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2011,43 (1):7-11.

[11] 李成歡.質(zhì)子輻照對(duì)InP/InGaAs HBTs電學(xué)特性的影響[D].西安:西安電子科技大學(xué)，2014.

[12] 孔令高,王世金,林華安，等.FY-2C衛(wèi)星太陽(yáng)X射線探測(cè)器性能定標(biāo)[J].空間科學(xué)學(xué)報(bào)， 2006(26):370-376.

Non Ionization Energy Loss of Low Energy Proton In Semiconductor Materials Si and GaAs

ZHOU Zhixiang

(Sanjiang College, Nanjing 210012, China)

In this paper, we mainly study and analyze a series of displacement damage caused by a new type of optoelectronic devices in the conventional space radiation environment. After many experiments, it is found that the displacement damage and failure of the device are mainly caused by non ionization energy loss (NIEL). The basic loss is: in the low energy space state, the interaction force between the Coulomb will be prominent, and gradually occupy the leading position. At present, the main use of the scattering differential cross section method, such as the Mott-Rutherford type scattering method, can not effectively shield the influence of the Coulomb force, which leads to a large amount of non ionization energy loss. Therefore, the author combines the characteristics and formation of non ionizing energy loss, based on analytic algorithm combining Monte-Carlo derivation method, using SRIM simulation program to calculate accurately the low energy proton in semiconductor materials (Si, GaAs) NIEL orders of magnitude in at the same time, according to a thin target in thought experiment improvement. Experimental results show that a large amount of data for low energy proton energy law: gross material 1 keV in the evaluation of NIEL orders of magnitude is about GaAs, the 1/5 Summers proton material orders of magnitude 1/3, the results will provide important reference for design and improvement of aerospace materials.

low energy proton; semiconductor materials; NIEL non ionization energy loss; Si and GaAs

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.12.052

2016- 10- 20

周志祥(1980-)，男，碩士，講師。研究方向：大學(xué)物理教學(xué)。

TN491;TN304.1

A

1007-7820(2016)12-191-03