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用的范圍越來越廣泛，然而太空中的環(huán)境非常復雜，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會導致半導體器件性能退化，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。深入學習了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發(fā)生的物理效應的定義。在建立完成仿真模型之后對粒子在硅材料中的輻照損傷進行模擬。首先對能量為1MeV的中子在硅材料中的損傷進行模擬，得出了PKA的能譜圖，這一重要結果為SKA的研究打下基礎。之后研究了IEL和NIEL與材料幾何尺寸之間的關系，可以看到納米器件具有較強的抗輻照能力。隨后改變入射中子的能量得到了入射中子的能量與PKA的平均能量之間的關

3、系。通過提取每一個PKA在硅材料中的坐標，可以獲得出每一個PKA在硅材料中的具體位置。當硅材料的尺寸遠小于中子的平均自由程的時候，PKA近似均勻分布的，當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，這是由于當材料尺寸小于中子平均自由程時，碰撞為隨機碰撞，超過平均自由程之后，中子能量衰減，產生PKA的效率降低導致的。1MeV伽馬粒子在硅材料中占主導作用的是電離能量沉積。由仿真結果可以看到，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的時候為線性關系。電子輻照硅材料也會與晶格原子發(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，因此不會像中子一樣形成級聯(lián)效應。通過模擬結果可知，NIEL在硅材料尺寸非常小的時候為線性關系，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，電子不斷經過慢化和軌跡偏移，最終趨勢偏離了線性關系。最后模擬了中子-伽馬光子綜合輻照對硅材料的影響，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，且近似認為 PKA隨深度的分布是均勻的，SKA的數目比PKA的數目大三個數量級左右，并且SKA也是均勻分布的，因此可以近似認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生伽馬粒子，由仿真結果可以看到，次級伽馬粒子的平均能量為2.093MeV，其峰值出現(xiàn)在1.6MeV