半导体材料电子非电离能损的分析法计算

非电离能损(NIEL)可用于预测半导体器件在空间辐射环境中位移损伤引起的性能参数退化,计算模型选用经典NIEL模型,计算了能量范围为100 keV～200 MeV的电子入硅、锗、砷化镓材料的NIEL,及微分散射截面、林哈德因子和位移原子数量等信息。考虑到经典NIEL模型在入射电子能量较低的情况下得出的位移原子数量不够精确,所以用分子动力学(MD)方法加以改良,得出在低能区域更真实的位移原子数量,用于修正经典NIEL,并分析了MD模型下新的位移阈值能对计算结果的影响。

低能质子在半导体材料Si和GaAs中的非电离能损

分析了新型光电器件在常规空间辐射环境下,电子器件所产生的一系列位移型损伤及对应成因。经多次对比实验发现,其位移损伤和器件失效主要由非电离能损(NIEL)所诱发。其根本损耗来源为:在低能空间状态下,库仑间的相互作用力将凸显,并逐渐占据主导地位。而当前主要采用的散射微分截面法,如Mott-Rutherford型散射法,均无法有效屏蔽核外电子间存在的库仑作用力影响,从而导致大量非电离能损产生。由此,文中结合非电离能损特性及成因,在解析算法基础上结合Monte-Carlo推衍方法,以SRIM程序模拟并推算出较精确的低能质子在半导体材料(以Si、Ga AS为例)中的NIEL数值量级,同时参照薄靶近似思想改良实验。实验数据规律表明,能量总值为1 ke V的低能质子材料中NIEL评测数值量级大约为Ga As质子材料的1/5、Summers数值量级的1/3,这一结果将为航天材质设计和改良提供重要的参考。

低能质子在半导体材料Si和GaAs中的非电离能损研究

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,当能量为1keV时,Si材料中NIEL的值为Summers结果的30%,GaAs材料中为20%,这在航天设计中有着重要的意义.

300 eV—1GeV质子在硅中非电离能损的计算

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.引起质子在硅中NIEL的作用机理有库仑相互作用和核相互作用,质子能量范围从位移损伤阈能到1 GeV.当质子能量位于低能区时,库仑相互作用占主导地位,采用解析方法和TRIM程序计算NIEL;当质子能量位于高能区时,NIEL主要来自质子与靶原子核的弹性和非弹性相互作用,使用MCNPX/HTAPE3X进行模拟仿真计算由核反应引起的NIEL.实现了能量范围为300 eV—1 GeV的质子入射硅时NIEL的计算.计算结果表明,MCNPX/HTAPE3X可用于计算高能质子在材料中产生的反冲核所引起的NIEL,结合解析方法和TRIM程序可计算得到由于库仑相互作用引起的NIEL.

太阳同步轨道电子与质子对卫星的电离和非电离能损

空间辐射环境是飞行器寿命的主要限制因素之一。由于空间辐射环境的复杂性,以及飞行器在空间活动的轨道和设计寿命的不同,飞行器需要的抗辐射屏蔽的要求也不同。针对太阳同步轨道所处的空间辐射环境(由AE8和AP8提供该轨道的电子和质子能谱),采用Monte Carlo方法的PENELOPE和SHIELD软件包进行了模拟计算,研究了卫星所需的辐射屏蔽。根据模拟结果分析发现:在空间环境研究中,除了电离能损引起的总剂量外,由质子的非电离能损引起的位移损伤的影响不可忽略。质子和二次质子对电离能损、中子对非电离能损的贡献最大。

中能质子在Si和GaAs中导致的非电离能损研究

非电离能损(NIEL)引起的位移损伤效应是空间装置失效的原因之一．运用改进的Monte Carlo程序SHIELD,建立了质子的NIEL计算手段,模拟计算了能量范围在10-400MeV的中能质子在硅和砷化镓中的NIEL的大小和分布．

质子在碳化硅中不同深度的非电离能量损失

利用蒙特卡罗方法,应用Geant4程序,模拟计算了1—500 MeV质子在碳化硅材料中的非电离能量损失,并研究了不同种类的初级反冲原子对非电离能量损失的贡献.模拟结果表明:在相同质子辐照下,碳化硅材料中的非电离能量损失要比硅、镓等半导体材料更小,说明碳化硅器件的稳定性更好,抗位移损伤能力更强;当靶材料足够厚时,在不同能量质子辐照下,材料损伤最严重的区域会随着质子入射能量的增加从质子射程末端逐渐前移到材料表面;不同种类的初级反冲原子对非电离能量损失的贡献表明,在低能质子辐照下,28Si和^(12)C是位移损伤的主要原因,而随着质子能量的增加,通过核反应等过程产生的次级离子迅速增多,并对材料浅层造成严重的位移损伤.

OP604光敏管质子位移损伤效应研究

光敏晶体管是空间飞行器光电编码器中的重要组成部分,对空间高能质子引起的位移损伤效应较为敏感。文章通过试验获得了光敏管的核心参数输出电流与质子能量、位移损伤剂量、工作状态、屏蔽材料的关系。在50、60、70、92 MeV四种能量的质子辐照下,器件输出电流及光电转换效率最大下降80%。晶体管内部光敏二极管初始光电流的下降和晶体管电流增益的下降共同作用造成了输出电流随位移损伤剂量的增加不断衰减。不锈钢和三明治屏蔽结构对60 MeV能量质子几乎没有遮挡效果。通过提高输入光照强度,增大初始光电流,可以降低位移损伤效应的影响。另外,采用PIN型光电二极管,增大耗尽区面积,也是可行的加固方法之一。

C离子对AlGaAs/InGaAs异质结的辐照影响

基于SRIM软件计算了不同能量的C离子在AlGaAs/InGaAs异质结中的平均投影射程和辐照损伤区,仿真了能量为500keV、800keV、1100keV的C离子入射到AlGaAs/InGaAs异质结中的能量损失情况,发现随着入射离子能量的增加,电离能比例增加,非电离能比例降低,入射离子产生的电离能损远大于反冲原子产生的电离能损,反冲原子产生的声子能损远多于入射离子产生的声子能损;通过仿真还发现,当C离子的能量为800keV时,辐照损伤区在异质结处且在异质结处产生的空位缺陷最多。

质子对超辐射发光二极管的辐射损伤研究

介绍了空间辐射环境,利用SRIM程序来模拟计算10MeV氦离子在GaAs材料中的入射深度与非电离能损(NIEL)的关系,分析了不同能量质子在不同材料中的入射深度及不同能量质子对超辐射发光二极管的辐射损伤对比,计算结果证明了利用SRIM软件模拟不同能量质子对超辐射发光二极管辐射损伤的可能性。

GaN HEMT器件电子辐照效应研究

对GaN HEMT(High Electron Mobility Transistor)器件进行了0.8和1.2 MeV电子束的辐照效应研究。结果表明,0.8 MeV电子束对器件损伤甚于1.2 MeV电子束,饱和漏电流增大,阈值电压负向漂移主要是由于AlGaN层中电离辐射产生的俘获正电荷以及GaN层中非电离能量损失产生的N、Ga空位所引起的。栅电流增加主要是由于非电离能量损失在AlGaN势垒层形成的电子陷阱和俘获正电荷引起TAT效应(trap-assisted tunneling)所导致。

MEO轨道辐射环境对Si太阳电池影响研究

研究MEO轨道Si太阳电池在轨性能衰减规律,为太阳阵设计提供参考依据。利用位移损伤剂量的方法,研究了电子辐照对Si太阳电池性能参数的影响,并分析了MEO轨道(高度20,000km,倾角56°)的电子和质子辐射环境,及其穿过不同厚度的石英玻璃盖片后的衰减谱。研究发现,在没有玻璃盖片的情况下,MEO轨道一年期质子通量会造成电池最大输出功率严重衰退,约为初始值的28%,而一年期电子通量影响很小,仅造成约7%的下降。使用100μm的石英玻璃盖片几乎可以完全阻挡MEO轨道质子辐射的影响,但是对电子辐射的阻挡作用很小。石英玻璃盖片对于屏蔽低能质子对电池辐照损伤是极其重要的。

1.3μm超辐射发光二极管的辐照性能研究

研究了1.3μm超辐射发光二极管(SLD)在γ辐照、质子辐照条件下性能参数的退化情况,并利用Srim软件计算了器件的非电离能损,引入位移损伤剂量的概念,给出了器件功率衰减与位移损伤剂量的函数关系,对SLD器件在质子辐射条件下的功率衰退做出定量预测。

高能质子辐照导致电荷耦合器件性能退化研究

针对空间环境中高能质子辐射导致电荷耦合器件(CCD)性能退化评估问题,开展能量高于60 MeV的质子辐照试验,考察了CCD的重要性能参数暗电流和电荷转移效率受质子辐照的退化情况及质子辐照后CCD的热像素产生情况。研究表明:高能质子辐照导致CCD性能退化的敏感参数包括暗电流、电荷转移效率和热像素;对于60 MeV和100 MeV的质子能量,当辐照注量达到5×10^(10) cm^(-2)时,暗电流和电荷转移效率出现了一定的退化,更加显著的退化表现在热像素的产生。分析发现,60 MeV和100 MeV质子辐照导致暗电流和电荷转移效率的退化可通过NIEL进行等效,而热像素产生则不能等效。因此,在进行高能质子辐照导致CCD性能退化评估时,需重点考察热像素产生情况,且应针对实际应用的辐射环境,使用合适的质子能量进行更具针对性的辐照试验。