基于Geant4的硅材料輻照損傷模擬研究.pdf

1、隨著我國航空航天事業(yè)不斷取得重大突破，硅基集成電路在太空中應(yīng)用的范圍越來越廣泛，然而太空中的環(huán)境非常復(fù)雜，存在著大量的不同能量、不同種類的高能粒子。這些高能粒子的輻照損傷效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致半導(dǎo)體器件性能退化，從而使得航天器材中的電子系統(tǒng)失效。因此研究半導(dǎo)體材料在不同能量不同粒子的輻照情況下的損傷具有非常重要的價(jià)值。
　　本研究基于高能粒子仿真軟件Geant4來研究不同粒子在硅材料的損傷。深入學(xué)習(xí)了Geant4仿真軟件之后，建立了硅材料輻照

2、損傷的模型，這一工作主要包括硅材料模型的建立，粒子源的建立以及不同能量的各種粒子穿過硅材料時(shí)發(fā)生的物理效應(yīng)的定義。在建立完成仿真模型之后對(duì)粒子在硅材料中的輻照損傷進(jìn)行模擬。首先對(duì)能量為1MeV的中子在硅材料中的損傷進(jìn)行模擬，得出了PKA的能譜圖，這一重要結(jié)果為SKA的研究打下基礎(chǔ)。之后研究了IEL和NIEL與材料幾何尺寸之間的關(guān)系，可以看到納米器件具有較強(qiáng)的抗輻照能力。隨后改變?nèi)肷渲凶拥哪芰康玫搅巳肷渲凶拥哪芰颗cPKA的平均能量之間的關(guān)

3、系。通過提取每一個(gè)PKA在硅材料中的坐標(biāo)，可以獲得出每一個(gè)PKA在硅材料中的具體位置。當(dāng)硅材料的尺寸遠(yuǎn)小于中子的平均自由程的時(shí)候，PKA近似均勻分布的，當(dāng)硅材料的尺寸接近中子的平均自由程，可以看到PKA的分布呈現(xiàn)出非常明顯的非線性，這是由于當(dāng)材料尺寸小于中子平均自由程時(shí)，碰撞為隨機(jī)碰撞，超過平均自由程之后，中子能量衰減，產(chǎn)生PKA的效率降低導(dǎo)致的。1MeV伽馬粒子在硅材料中占主導(dǎo)作用的是電離能量沉積。由仿真結(jié)果可以看到，電離能量沉積與硅

4、材料的厚度在伽馬光子在硅材料中的平均自由程之內(nèi)的時(shí)候?yàn)榫€性關(guān)系。電子輻照硅材料也會(huì)與晶格原子發(fā)生作用，形成離位原子，但是由于離位原子的能量一般比較小，因此不會(huì)像中子一樣形成級(jí)聯(lián)效應(yīng)。通過模擬結(jié)果可知，NIEL在硅材料尺寸非常小的時(shí)候?yàn)榫€性關(guān)系，隨著尺寸增加，出現(xiàn)了非常明顯地非線性，這是由于電子的散射概率非常大，電子不斷經(jīng)過慢化和軌跡偏移，最終趨勢(shì)偏離了線性關(guān)系。最后模擬了中子-伽馬光子綜合輻照對(duì)硅材料的影響，輻照源的能量范圍在10keV

5、到20MeV之間。從模擬結(jié)果可以看到，PKA的平均能量為249.064keV，峰值能量在10keV左右，且近似認(rèn)為 PKA隨深度的分布是均勻的，SKA的數(shù)目比PKA的數(shù)目大三個(gè)數(shù)量級(jí)左右，并且SKA也是均勻分布的，因此可以近似認(rèn)為總的離位原子在材料中的分布情況與SKA相同，即均勻分布的。中子能量在比較高的情況下，可以通過非彈性散射或者裂變產(chǎn)生伽馬粒子，由仿真結(jié)果可以看到，次級(jí)伽馬粒子的平均能量為2.093MeV，其峰值出現(xiàn)在1.6MeV