低能质子在半导体材料si 和gaas中的非电离能损研究(

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1、低能质子在半导体材料Si和GaAs中的非电离能损研究(低能质子在半导体材料Si和GaAs中的非电离能损研究(唐欣欣1)2)罗文芸1)?王朝壮1)2)贺新福2)3)查元梓1)樊胜3)黄小龙3)王传珊1)1）（上海大学射线应用研究所，上海201800）2）(上海大学，理学院，上海200444)3）（中国原子能科学研究院，北京102413）非电离能损（NIEL）引起的位移损伤是导致空间辐射环境中新型光电器件失效的主要因素。由于低能时库仑相互作用占主导地位，一般采用Mott-Rutherford微分散射截面，但它没考虑

2、核外电子库仑屏蔽的影响。为此，本文采用解析法和基于Monte-Carlo方法的SRIM程序计算了考虑库仑屏蔽效应后低能质子在半导体材料Si、GaAs中的NIEL，SRIM程序在计算过程中采用薄靶近似法,并与其他作者的计算数据和实验数据进行了比较。结果表明：用SRIM程序计算NIEL时采用薄靶近似法处理是比较合理的，同时考虑库仑屏蔽效应后的NIEL较没考虑前要小，这在航天设计中有着重要的意义。关键词：低能质子，非电离能损，硅，砷化镓PACC:8760P，2540C1.引言应用于卫星或空间飞行器的电子器件和光电器件

3、在长时间受到空间辐射后，性能逐渐降低或失灵，严重时可能导致整个电子学系统瘫痪[1]。辐射效应包括总剂量效应、单粒子效应和位移损伤效应。其中非电离能损（NIEL）引起的位移损伤是导致空间辐射环境中新型光电器件失效的主要因素[2]。传统的研究只注重不同辐射条件下电离辐射对器件的影响[3,4]，这主要是MOS器件是一种表面器件，对电离辐射比较敏感，再加上非电离能损所占的比重很少（<1％）[5]。随着新型光电器件（如LED、CCD等）的应用，非电离能损（NIEL）研究的重要性也日渐突出。NIEL是指粒子与材料相互作用时

4、，造成原子位移所对应的部分能量损失。在预测位移损伤引起的参数衰变时，通常只需要考虑损伤过程的第一步，即入射粒子及其产生的次级粒子在半导体中的非电离能量沉积就行了。大量实验证明：位移损伤引起的半导体器件及光电器件性能的变化在大多数情况下与位移损伤碰撞过程中传递的非电离能量损失的量成正比[6]，因此，可以通过计算某一给定能量的粒子在器件材料中NIEL的大小，来推导其它粒子对器件性能的衰变的情况。从而建立起NIEL标尺（Scaling），这为将物理量转化为工程量提供了极其有用的手段。为了使器件能在辐射环境下正常工作，

5、需采取一系列抗辐射加固技术。对空间质子能谱的屏蔽而言，轻材料比重材料的屏蔽效果好（例如轻材料选铝，重材料选钨）。能量小于10EMBEDEquation.DSMT4的质子不能穿透0.69g/cm2（等效厚度）屏蔽材料，无论是铝还是钨[7]。但对高能（>500EMBEDEquation.DSMT4）质子，通过一系列的屏蔽层后能谱“软化”，将有可能对器件的灵敏区产生重要影响，文献表明，低能质子（<0.1EMBEDEquation.DSMT4）对器件的总位移损伤剂量贡献达30%[8]。为此，本文主要考虑低能质子对Si、

6、GaAs半导体材料的非电离能损。2.非电离能损（NIEL）的计算非电离能损的一般计算表达式为[9]：EMBEDEquation.3（1）其中，EMBEDEquation.DSMT4为阿伏伽德罗常数；A为靶原子的质量数；EMBEDEquation.DSMT4为粒子给出具有动能T的反冲核的微分截面；EMBEDEquation.DSMT4为Lindhard函数，意为反冲核动能中贡献给NIEL的分数；EMBEDEquation.DSMT4；EMBEDEquation.DSMT4=2EMBEDEquation.DSMT4

7、，EMBEDEquation.DSMT4为靶原子的位移阈能。在许多关于质子、EMBEDEquation.DSMT4粒子引起的NIEL的计算中（比较典型的有G.P.Summers等人[10]），常采用Mott-Rutherford截面来表示原子位移。对轻离子，靶原子的核外电荷库仑屏蔽作用只在低能（<1MeV）才表现明显，但是对重离子来说，无论在高能还是低能情况下，这种屏蔽势都需要考虑[11]。基于此，在前人的基础上，InsooJun等人[12]进一步考虑库仑屏蔽的影响，得到的NIEL结果在低能时较Summers等

8、人的小。在本文中，采用解析法和基于Monte-Carlo方法的SRIM程序分别计算低能质子在半导体材料Si、GaAs中引起的非电离能损。屏蔽库仑势函数有多种形式，如：Thomas-Fermi,Bohr,Lenz-Jensen,ZBL普适势（Ziegler,Biersack,andLittmarkUniversalpotential）等。为了体现考虑库仑屏蔽效应的影响，解析法中选用基于大