近地轨道质子和α粒子入射InP产生的位移损伤模拟

磷化铟(InP)材料具有禁带宽度大、电子迁移率高、耐高温、抗辐照等优点,是制备航天器电子器件的优良材料.近地轨道内的质子和α粒子对近地卫星威胁巨大,其在InP电子器件中产生的位移损失效应是导致InP电子器件电学性能下降的主要因素.本文使用蒙特卡罗软件Geant4研究近地轨道的质子与α粒子分别经过150μm二氧化硅和2.54 mm铝层屏蔽后,在500/1000/5000μm InP材料中产生的非电离能量损失(non-ionizing energy loss,NIEL)、平均非电离损伤能随深度分布以及年总非电离损伤能.研究发现:低能质子射程短且较易发生非电离反应,入射粒子能谱中低能粒子占比越大,材料厚度越小,NIEL值越大;计算质子和α粒子年总非电离损伤能,质子的年总非电离损伤能占比达98%,表明质子是近地轨道内产生位移损伤的主要因素;α粒子年总非电离损伤能占比小,但其在InP中的NIEL约为质子的2-10倍,应关注α粒子在InP中产生的单粒子位移损伤效应.本文计算为InP材料在空间辐射环境的应用提供了参考依据.

移位损伤剂量模型及其应用

首先描述了移位损伤的机理及其影响器件性能的机制,引入了适合航天器工程抗辐射加固设计使用的 移位损伤剂量模型,探讨了其在CCD器件电荷传输效率CTE,Si器件平均暗电流以太阳电池阵输出功率等工 程参数衰降中的应用,介绍了建立的基于移位损伤剂量模型的空间环境中CCD器件CTE衰降预测模式,其结 果与欧空局空间环境信息系统的计算结果相吻合.该程序在光电器件抗辐射加固设计中具有重要的应用价值.

基于GEANT4模拟分析不同能量质子在CMOS APS中的位移损伤研究

本文针对图像传感器在空间辐射环境中电学性能退化问题,采用蒙特卡罗方法基于互补金属氧化物半导体(CMOS)APS器件建立几何模型,开展不同能量质子与靶原子的相互作用过程研究。通过研究不同能量质子辐照下初级碰撞原子的能谱分布及平均位移损伤能量沉积随质子能量的变化,讨论不同能量质子及空间站轨道质子能谱下在CMOS APS器件中位移损伤的差异。计算结果表明:随着入射质子能量的增大,辐照产生的初级碰撞原子的最大能量及核反应产生的初级碰撞原子(PKA)对位移损伤能量沉积的贡献逐步增加;对于大于1 MeV的质子辐照,CMOS APS器件中位移损伤研究可忽略氧化层的影响;不同能量的质子和CREME96程序中空间站轨道质子能谱下器件中位移损伤能量沉积分布结果显示,3.5 MeV质子与该空间站轨道质子能谱在器件敏感区中产生的总位移损伤能量沉积相近。该工作对模拟空间站轨道质子辐照下电子器件暗电流增长研究中辐照实验的能量选择,提供了参考依据。

InAlAs/InGaAs/InAlAs量子阱质子辐照损伤机理

对InP基高电子迁移率场效晶体管关键的InAlAs/InGaAs/InAlAs量子阱结构质子辐照损伤机理进行了研究.基于SRIM软件计算了50keV、75keV和200keV质子在量子阱中的投影射程和诱生空位缺陷信息.随着质子能量增加,质子注入深度逐渐增加并最终逃逸出材料层.另外,在异质结附近诱生的空位缺陷个数先增加后减小,且As空位为主要的诱生缺陷.基于解析模型计算了不同能量质子入射下In_(0.52)Al_(0.48)As和In_(0.53)Ga_(0.47)As材料的非电离能量损失.随着质子能量增加,非电离能量损失先增加后减小,与辐照诱生缺陷密度随能量的变化趋势一致.最后通过辐照陷阱模型验证了诱生缺陷作为受主补偿中心对量子阱二维电子气的俘获作用,确定了非电离能量损失诱生空位缺陷为质子辐照主要的损伤机制.

CCD及CMOS图像传感器的质子位移损伤等效分析

对位移损伤敏感器件CCD及CMOS图像传感器进行了3,10,23MeV质子辐照试验,获得了电荷转移效率及暗电流退化程度分别随非电离能量损失(NIEL)变化的线性关系,验证了基于NIEL的位移损伤等效方法的可行性。为准确预测抗辐射加固工程中,器件屏蔽结构带来的能量崎离、次级粒子等非理想因素对器件参数退化的影响,利用Geant4计算了不同质子能量下的NIEL值。结果表明,随着质子能量降低,计算得到的NIEL值与解析法给出的理想NIEL值的差异增大。因此,对于结构复杂的器件,有必要建立器件结构模型,以便准确计算NIEL。

InP中子位移损伤效应的Geant4模拟

磷化铟(In P)作为第二代化合物半导体材料,抗辐照能力强,光电转换效率高,在光子领域和射频领域具有优势.大气空间中, In P半导体器件受大气中子辐照影响,器件性能发生退化.本文采用蒙特卡罗模拟软件Geant4对In P中子辐照效应进行模拟,得到In P中不同能量中子产生的位移损伤初态分布.结果表明:在微米量级内,非电离能量损失(NIEL)随深度均匀分布,在厘米及更高量级上, NIEL随着入射深度的增大而降低,当靶材料足够厚时可以降低至零;分析1—20 Me V中子入射3μm In P产生的NIEL及其随深度分布,发现NIEL随入射中子能量的增加呈现出先升后降的趋势,该趋势主要由非弹性散射反应产生的初级反冲原子(PKA)造成;分析1—20 Me V中子入射3μm In P产生的PKA种类、能量,发现In/P的PKA占比较大,是产生位移损伤的主要因素,中子能量越高, PKA的种类越丰富, PKA最大动能越大,但PKA主要分布在低能部分.研究结果对In P基5G器件在大气中子辐射环境中的长期应用具有理论和指导价值.

Geant4模拟质子入射InP产生的位移损伤

磷化铟(InP)作为重要的第二代半导体材料,禁带宽度大,电子漂移速度快,抗辐照性能比Si,GaAs好,可作为制备空间飞行器上电学器件的备选材料。随着半导体器件的尺寸纳米化,空间环境中低能质子辐照元件所导致的位移损伤成为影响元件电学性能的主要因素之一。本文使用Geant4模拟得到低能质子入射InP产生的初级撞出原子(PKA)种类及占比和不同能量质子的非电离能量损失(NIEL)的深度分布。结果表明:质子俘获和核反应的概率随质子能量的增加而增加,进而使弹性碰撞产生的反冲原子In,P的占比减少,其他反冲原子占比增加;NIEL峰值随质子能量的增加而降低,且NIEL峰有向前移动的趋势,即随着质子能量增加,位移损伤严重区域逐渐由材料末端移至材料表面。

用截断平均和优化组合方法提高电荷分辨

以阿尔法磁谱仪 (AMS - 0 1 )探测器为例 ,利用电离能损与电荷量的关系 ,研究了用截断平均和优化组合等离线处理方法来提高电荷分辨能力 ,并取得了较好的结果 。

质子和1MeV中子在硅中能量沉积的模拟计算

在现有中子截面数据和粒子与物质相互作用的理论基础上 ,编写了计算中子非电离能量损失 (NIEL)和电离能量损失 (IEL)程序 ,利用该程序和引进的TRIM95程序计算了 1MeV中子和质子在硅中IEL和NIEL的大小和分布等 ,并对计算结果进行了分析和比较 .