空間重離子入射磷化銦的位移損傷模擬*

白雨蓉 李永宏 劉方 廖文龍 何歡 楊衛(wèi)濤 賀朝會(huì)

(西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 西安 710049)

磷化銦(InP)具備電子遷移率高、禁帶寬度大、耐高溫、耐輻射等特性, 是制備空間輻射環(huán)境下電子器件的重要材料.隨著電子器件小型化, 單個(gè)重離子在器件靈敏體積內(nèi)產(chǎn)生的位移損傷效應(yīng)可能會(huì)導(dǎo)致其永久失效.因此, 本文使用蒙特卡羅軟件Geant4模擬空間重離子(碳、氮、氧、鐵)在InP材料中的輸運(yùn)過(guò)程, 計(jì)算重離子的非電離能量損失(non-ionizing energy loss, NIEL), 得到重離子入射InP材料的位移損傷規(guī)律, 主要結(jié)論有: 1) NIEL值與原子序數(shù)的平方成正比, 重離子原子序數(shù)越大, 在InP材料中產(chǎn)生位移損傷的能力越強(qiáng);2)重離子NIEL比次級(jí)粒子NIEL大3—4個(gè)量級(jí), 而NIEL與核彈性碰撞產(chǎn)生的反沖原子的非電離損傷能成正比, 說(shuō)明重離子在材料中撞出的初級(jí)反沖原子是導(dǎo)致InP材料中產(chǎn)生位移損傷的主要原因; 3)空間輻射環(huán)境中重離子數(shù)目占比少, 一年中重離子在0.0125 mm3 InP中產(chǎn)生的總非電離損傷能占比為2.52%, 但重離子NIEL值是質(zhì)子和α粒子的2—30倍, 仍需考慮單個(gè)空間重離子入射InP電子器件產(chǎn)生的位移損傷效應(yīng).4)低能重離子在較厚材料中完全沉積導(dǎo)致平均非電離損傷能分布不均勻(前高后低), 使NIEL值隨材料厚度的增大而略微減小, 重離子位移損傷嚴(yán)重區(qū)域分布在材料前端.研究結(jié)果為InP材料在空間輻射環(huán)境中的應(yīng)用打下基礎(chǔ).

1 引 言

InP作為重要的第二代半導(dǎo)體材料, 禁帶寬度大、電子遷移率高、耐高溫、抗輻照性能優(yōu)于硅和砷化鎵, 是航天器電子器件的首選材料之一[1].航天器遠(yuǎn)地飛行狀態(tài)下, 主要受到來(lái)自銀河宇宙射線的背景輻射(85%為質(zhì)子, 15%為α粒子, 1%為重離子)以及太陽(yáng)耀斑爆發(fā)產(chǎn)生的大量重離子、α粒子、高能質(zhì)子和電子輻射, 統(tǒng)稱(chēng)為宇宙射線(cosmic ray, CR)[2].研究表明, 空間輻射環(huán)境中電子器件的位移損傷效應(yīng)是導(dǎo)致其電學(xué)性能永久失效的主要因素之一[3], 且InP材料多被用于光電器件, 光電器件對(duì)于位移損傷效應(yīng)的敏感性強(qiáng)于其他器件.空間重離子占比小但能量大, 可以穿過(guò)外層材料進(jìn)入航天器內(nèi)部, 且隨著電子器件小型化, 單個(gè)高能重離子在電子器件靈敏體積處產(chǎn)生的位移損傷, 即可造成電子器件靈敏體積處的永久損傷[4].因此, 研究空間重離子入射InP材料產(chǎn)生的位移損傷規(guī)律, 可以為InP材料在航天器中的應(yīng)用打下基礎(chǔ).

目前, 國(guó)內(nèi)外關(guān)于空間重離子入射InP材料產(chǎn)生的位移損傷規(guī)律未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道, 研究主要集中于低能質(zhì)子、電子[5?12]、離子注入[13?16]在InP材料或電子器件中產(chǎn)生的輻照效應(yīng).實(shí)驗(yàn)方面,Yamaguchi等[5]采用地面實(shí)驗(yàn)裝置探究InP單晶材料和太陽(yáng)能電池經(jīng)低能質(zhì)子(1—10 MeV)和電子(1 MeV)輻照后的電學(xué)性能變化.Kamarou等[15]使用快重離子氙(375 MeV)、金(593 MeV)注入InP單晶材料, 得到離子注入后的缺陷退火機(jī)制.模擬方面, Summers等[17]使用SRIM軟件得到不同能量的質(zhì)子和電子入射Si, InP, GaAs產(chǎn)生的NIEL值, 發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)得到的電學(xué)損傷因子與NIEL相關(guān), 可以衡量電子器件經(jīng)輻照后的電學(xué)性能退化程度, 將不同種類(lèi)和能量的粒子對(duì)電子器件的電學(xué)性能影響轉(zhuǎn)化為NIEL進(jìn)行比較是一種可靠的處理手段.

本文使用Geant4軟件[18]模擬空間重離子在InP材料中的輸運(yùn)過(guò)程, 比較重離子及其次級(jí)粒子在InP材料中的NIEL值, 得到重離子在InP材料中產(chǎn)生的平均非電離損傷能隨深度分布規(guī)律, 同時(shí)將空間主要輻射粒子(氫、氦、碳、氮、氧、鐵)分別以實(shí)際年注入量的入射數(shù)目入射InP材料, 計(jì)算空間主要輻射粒子的總非電離能量沉積, 得到重離子在空間主要輻射粒子中的總非電離能量沉積占比.該工作對(duì)InP基電子器件在航天領(lǐng)域的應(yīng)用有重要意義.

2 模型構(gòu)建

2.1 幾何結(jié)構(gòu)

根據(jù)文獻(xiàn)[5]得到InP材料作為基底厚度是500 μm, 同時(shí)為了探究厚度對(duì)重離子在InP中產(chǎn)生的NIEL值的影響, 將InP材料厚度分別設(shè)置為500 μm, 1000 μm, 5000 μm, 橫截面為500 μm ×500 μm.

2.2 物理過(guò)程

Geant4軟件在核技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用較廣[19?22], 可以模擬多種能量、多種粒子在具有復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)、材料構(gòu)成的器件中的輸運(yùn)過(guò)程.本文利用Geant4軟件和程序庫(kù), 使用QGSP_BIC物理模型模擬空間重離子在InP中的輸運(yùn)過(guò)程.QGSP_BIC物理模型包含了電磁相互作用(多次散射、電離、光電效應(yīng)、韌致輻射)和強(qiáng)子相互作用(彈性散射、非彈性散射和原子核嬗變), 使用的數(shù)據(jù)庫(kù)文件是基于Livermore實(shí)驗(yàn)室的ENSDF, EEDL, EPDL97,EADL庫(kù), 最高可模擬10 TeV的入射粒子在材料中的輸運(yùn)過(guò)程.同時(shí)在電磁相互作用中增加了G4-ScreenedNuclearRecoil類(lèi), 模擬反沖原子的核阻止本領(lǐng), 該類(lèi)由Weller等[23]開(kāi)發(fā), 用于計(jì)算庫(kù)侖散射對(duì)NIEL的貢獻(xiàn), Weller等[24]也驗(yàn)證了該類(lèi)在計(jì)算質(zhì)子入射GaAs, Si等材料的NIEL值時(shí)的準(zhǔn)確性和可靠性.Raine等[4]也使用G4Screened-NuclearRecoil類(lèi)計(jì)算質(zhì)子和中子入射Si產(chǎn)生的NIEL.說(shuō)明G4ScreenedNuclearRecoil類(lèi)適用于計(jì)算帶電粒子在材料中產(chǎn)生的NIEL.

重離子與物質(zhì)相互作用過(guò)程主要有核彈性碰撞和核外電子非彈性碰撞.核彈性碰撞為帶電粒子與靶原子核的庫(kù)侖場(chǎng)作用發(fā)生彈性散射, 使原子核反沖帶走帶電粒子的一部分能量, 將這種能量損失稱(chēng)為非電離能量損失.核外電子非彈性碰撞為帶電粒子與靶原子核外電子發(fā)生庫(kù)侖作用, 使電子獲得能量被擊出, 靶原子失去電子變?yōu)殡x子, 同時(shí)帶電粒子的能量減小, 運(yùn)動(dòng)速度降低, 將這種能量損失稱(chēng)為電離能量損失.

位移損傷是指核彈性碰撞產(chǎn)生的初級(jí)反沖原子(primary knock-on atom, PKA)離開(kāi)晶格位置,繼續(xù)發(fā)生彈性碰撞過(guò)程, 產(chǎn)生次級(jí)反沖原子(secondary knock-on atom, SKA), 若次級(jí)反沖原子獲得的能量足夠大, 也會(huì)繼續(xù)發(fā)生彈性碰撞, 進(jìn)而形成級(jí)聯(lián)碰撞, 產(chǎn)生點(diǎn)缺陷、團(tuán)簇、位錯(cuò)環(huán)等晶格缺陷.而這些缺陷多處于電子器件的深能級(jí)處,可以俘獲少數(shù)載流子, 影響少數(shù)載流子數(shù)目和壽命, 進(jìn)而使得電學(xué)器件開(kāi)路電壓、短路電流、最大電功率、暗電流等電學(xué)特性發(fā)生變化, 改變器件的電學(xué)性能.

由于重離子與核外電子發(fā)生非彈性碰撞的產(chǎn)物在材料中形成位移損傷的方式與PKA相同, 因此將非彈性碰撞產(chǎn)物與初級(jí)反沖原子統(tǒng)稱(chēng)為PKA, 用于探究重離子及其PKA在InP材料中產(chǎn)生的位移損傷大小.

2.3 粒子源設(shè)置

宇宙射線主要由質(zhì)子(H)、α粒子(He)、空間重離子組成, 其中空間重離子主要種類(lèi)有碳(C)、氮(N)、氧(O)、鐵(Fe), 因此選取這4種粒子作為入射粒子.粒子源以面源入射, 大小與材料橫截面(500 μm × 500 μm)相同.粒子源能量選取考慮到航天器外層鍍有薄鋁合金, 航天器內(nèi)部電子系統(tǒng)的輻射環(huán)境應(yīng)為經(jīng)過(guò)鋁層屏蔽后的宇宙射線, 因此選取經(jīng)過(guò)100 mil (2.54 mm, 國(guó)際默認(rèn)值)厚的鋁層屏蔽后的宇宙射線能譜圖作為此次模擬能譜.如圖1(a)所示, 是CREME96[25]數(shù)據(jù)庫(kù)中得到的宇宙射線能譜圖, 圖1(b)為經(jīng)過(guò)100 mil厚的鋁層屏蔽后的宇宙射線能譜圖.可以觀察到, 經(jīng)過(guò)鋁層屏蔽后的宇宙射線能譜在低能部分占比增多, 且能量從1 MeV/nuc降至0.1 MeV/nuc(其中nuc表示核子數(shù), 而質(zhì)量數(shù)越大的粒子核子數(shù)越多, 如C的核子數(shù)為12, 所以1 MeV/nuc對(duì)于C而言, 實(shí)際動(dòng)能有12 MeV.), 高能部分占比減少, 能譜峰值向左移動(dòng).說(shuō)明經(jīng)過(guò)外層鍍鋁合金屏蔽后的宇宙射線能譜存在更多的低能重離子, 對(duì)于航天器內(nèi)部電子器件造成位移損傷的概率更大.從圖1能譜可知,質(zhì)量數(shù)越大的粒子能譜范圍越廣.

圖1 能譜圖 (a)宇宙射線能譜圖; (b) 100 mil Al屏蔽后的宇宙射線能譜圖Fig.1.Energy spectrum: (a) Cosmic ray energy spectrum; (b) 100 mil Al shielded cosmic ray energy spectrum.

2.4 位移損傷計(jì)算

NIEL是指單個(gè)粒子在單位質(zhì)量厚度上非電離能量損失[26], 單位為MeV·cm2/g.NIEL值越大,表明粒子在材料中的非電離能量沉積越多, 產(chǎn)生位移損傷的能力越強(qiáng).NIEL計(jì)算方式如下:

式中, NA為阿伏伽德羅常數(shù), A為靶原子質(zhì)量數(shù),E為反沖原子動(dòng)能, σi(E) 為第i個(gè)反沖原子的離位反應(yīng)截面.Edam(E) 為能量為E的反沖原子在材料中的非電離損傷能.

Jun等[27]在計(jì)算NIEL時(shí), 將反應(yīng)截面與非電離損傷能的乘積求和簡(jiǎn)化為

式中, Tdam是平均非電離損傷(位移損失)能, 將反沖原子 Edam(E) 加和除以入射粒子數(shù)即可得到,Nv是原子密度, h為靶材料厚度.

進(jìn)一步推導(dǎo)得:

式中, ρ為靶材料密度, InP材料密度取4.56 g/cm3.

Edam(E)用Robinson等[28]和Akkerman等[29,30]修正的Lindhard分離函數(shù)得到:

式中, Z1, Z2是晶格原子和反沖原子的原子序數(shù),A1, A2是晶格原子和反沖原子的質(zhì)量數(shù).對(duì)于化合物而言, 原子序數(shù)和質(zhì)量數(shù)取化合物組成元素的加權(quán)平均數(shù), 即:

式中, ni為元素i在化合物中的原子密度.對(duì)于InP材料, 取 Z2,average=32 , A2,average=72.3.

Akkerman-Robinson-Lindhard修正函數(shù)被廣泛應(yīng)用于NIEL值的計(jì)算[31,32], 由于Geant4程序中自帶的G4LindhardPartition函數(shù)并沒(méi)有包含Akkerman等[29,30]的修正部分, 重新編譯G4LindhardPartition函數(shù), 使其包含Akkerman等[29,30]的修正計(jì)算.之后利用自行編譯的G4LindhardPartition函數(shù)得到InP材料中入射粒子及PKA的非電離損傷能Edam(E), 代入(2)式即算出NIEL值.

2.5 物理過(guò)程可靠性驗(yàn)證

國(guó)內(nèi)外對(duì)帶電粒子入射硅(Si)的非電離能量損失規(guī)律及NIEL值計(jì)算資料豐富[4,17,19,27,33], 因此為驗(yàn)證程序可靠性, 使用薄靶近似法[19]計(jì)算1—300 MeV單能質(zhì)子入射Si和InP產(chǎn)生的NIEL值, 即取材料厚度為入射粒子在材料中射程的1/10, 材料長(zhǎng)寬為厚度的10倍.該方法的優(yōu)點(diǎn)在于減少入射粒子在材料中慢化導(dǎo)致的NIEL值誤差,同時(shí)保證材料中產(chǎn)生足夠多的PKA數(shù)目, 避免統(tǒng)計(jì)性誤差.Geant4模擬參數(shù)設(shè)置及計(jì)算結(jié)果如表1所示, Si和InP射程由SRIM[34]軟件計(jì)算得到.

表1 Geant4模擬相關(guān)參數(shù)和NIEL計(jì)算值Table 1.Geant4 Simulated parameters and NIEL.

如圖2所示, 將本文Si和InP的NIEL計(jì)算值與Jun等[27]和Dale等[33]計(jì)算結(jié)果做對(duì)比, 發(fā)現(xiàn)NIEL值變化趨勢(shì)相同, 即NIEL值隨質(zhì)子能量的增大而減小, 說(shuō)明低能質(zhì)子在材料中產(chǎn)生的位移損傷大于高能質(zhì)子.原因在于高能質(zhì)子與原子核發(fā)生彈性碰撞的反應(yīng)截面小, 因此產(chǎn)生的NIEL值小.數(shù)值方面, 本文計(jì)算值與文獻(xiàn)值相近, 數(shù)據(jù)符合一致性較好, 說(shuō)明本文程序適用于計(jì)算帶電粒子在InP中產(chǎn)生的NIEL.

圖2 1?300 MeV質(zhì)子入射(a) Si 和(b) InP的NIEL計(jì)算值Fig.2.1?300 MeV proton NIEL for (a) Si and (b) InP.

2.6 設(shè)計(jì)方案

關(guān)于InP輻照效應(yīng)的研究多為H, He, 因此本文在部分模擬中加入了H, He粒子的計(jì)算, 將 C,N, O, Fe的計(jì)算結(jié)果與H, He做對(duì)比, 研究H,He, 空間重離子位移損傷機(jī)制的異同.采用三種方法探究重離子入射InP材料產(chǎn)生的位移損傷:1)將H, He, C, N, O, Fe 分別以106個(gè)粒子數(shù)目打入InP材料, 取InP材料厚度為500 μm, 比較質(zhì)子、α粒子和重離子入射同一厚度的InP材料產(chǎn)生的NIEL; 2)從CREME96[25]數(shù)據(jù)庫(kù)中得到H,He, C, N, O, Fe的年注入量, 以空間環(huán)境中粒子年注量的數(shù)目打入InP材料, 取InP材料厚度為500 μm, 統(tǒng)計(jì)一年中不同粒子在InP材料中的非電離能量沉積; 3)將C, N, O, Fe 分別以106個(gè)粒子數(shù)目打入InP材料, 取InP材料厚度為500,1000, 5000 μm, 比較相同粒子數(shù)下不同重離子入射不同厚度的InP材料產(chǎn)生的NIEL, 具體設(shè)計(jì)方案如表2.

表2 重離子入射InP材料的設(shè)計(jì)方案Table 2.Design scheme of heavy ion incident on InP.

3 結(jié)果與分析

3.1 相同粒子數(shù)下不同宇宙粒子入射InP產(chǎn)生的NIEL

由于在Geant4程序中對(duì)于粒子能量的設(shè)置是采用能譜概率取值的方法, 為了保證能譜取值的遍歷性和數(shù)據(jù)的可靠性, 數(shù)據(jù)都是經(jīng)過(guò)10次計(jì)算后取平均值得到.

由(1)式可知, NIEL值與粒子在材料中撞出的反沖原子的非電離損傷能 Edam(E) 有關(guān), 因此入射粒子的NIEL值通過(guò)計(jì)算其產(chǎn)生的PKA非電離損傷能得到, 而PKA的NIEL值通過(guò)計(jì)算PKA撞出的SKA的非電離損傷能得到.如表3所示,列出H, He, C, N, O, Fe入射500 μm厚的InP材料的相關(guān)信息: 入射粒子及其PKA的NIEL值、NIEL占比及變異系數(shù).其中, NIEL占比等于各自NIEL值除以入射粒子及PKA 的NIEL之和,變異系數(shù)等于標(biāo)準(zhǔn)差除以平均值.變異系數(shù)約在10–2量級(jí), 說(shuō)明10次計(jì)算數(shù)據(jù)離散程度較小, 平均值具有代表性.

表3 宇宙射線粒子及其PKA在500 μm 厚的InP中產(chǎn)生的NIEL統(tǒng)計(jì)表Table 3.NIEL of cosmic ray particles and their PKA produced in 500 μm InP.

分析表3數(shù)據(jù)可知, 相較于H, He, 重離子的NIEL值占比更大, 達(dá)99%以上, 而重離子PKA產(chǎn)生的NIEL值占比僅為0.024%—0.094%.原因在于重離子PKA在材料中產(chǎn)生的SKA數(shù)目少且其非電離沉積能量小, 可以忽略重離子的SKA在材料中產(chǎn)生的位移損傷, 研究重離子的PKA在InP材料中產(chǎn)生的位移損傷.

比較6種入射粒子的NIEL值, 發(fā)現(xiàn)NIEL值與原子序數(shù)的平方成正比, 這一趨勢(shì)與文獻(xiàn)[35]結(jié)論相符.原因在于彈性散射截面與入射粒子原子序數(shù)的平方成正比.入射粒子原子序數(shù)越大, 彈性散射截面越大, 在InP材料中產(chǎn)生位移損傷的能力越強(qiáng), 即NIEL值越大.對(duì)于同一厚度的InP材料,C, N, O, Fe的NIEL值比H, He高1—2個(gè)量級(jí),說(shuō)明空間重離子在InP 材料中產(chǎn)生非電離能量沉積并造成位移損傷的概率遠(yuǎn)大于H, He, 需要關(guān)注空間輻射環(huán)境下單個(gè)重離子入射InP電子器件導(dǎo)致的位移損傷效應(yīng).

3.2 年注量入射數(shù)目下的不同宇宙粒子入射InP產(chǎn)生的非電離能量沉積

根據(jù)CREME96數(shù)據(jù)庫(kù)提供的能譜數(shù)據(jù)可知,H, He, C, N, O, Fe粒子數(shù)目在宇宙射線中的占比為99.7%, 可以認(rèn)為宇宙射線在電子器件中非電離能量沉積近似等于這6種粒子非電離能量沉積之和.本節(jié)內(nèi)容選取H, He, C, N, O, Fe作為代表粒子探究一年中宇宙射線在InP材料中產(chǎn)生的總非電離能量沉積.6種粒子在500 μm × 500 μm平面上一年內(nèi)注入的總數(shù)目為13987508個(gè), 在表4中列出了各粒子的入射數(shù)目、非電離損傷能、非電離損傷能占比(各粒子非電離損傷能與6種粒子非電離損傷能之和的比值)以及變異系數(shù).變異系數(shù)在10–2量級(jí), 說(shuō)明10次計(jì)算的非電離損傷能平均值具有代表性.

表4 不同粒子在0.125 mm3 InP產(chǎn)生的非電離損傷能統(tǒng)計(jì)表Table 4.Total non-ionization damage energy produced by cosmic particles in 0.125 mm3 InP.

由表4可知, 在0.125 mm3InP材料中沉積的非電離損傷能最多的是H, 占比為82.14%, 與大多數(shù)理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符, He的非電離損傷能占比達(dá)到了15.34%, C, N, O, Fe重離子的非電離損傷能總占比為2.56%.即使重離子的NIEL值高于H,He, 但是重離子在空間輻射環(huán)境中的數(shù)目少, 因此在InP中產(chǎn)生的總非電離損傷能占比較低.

C和O的數(shù)目以及NIEL值接近, 因此非電離損傷能占比接近, 分別為0.78%和0.95%, 而N的NIEL值居中且數(shù)目較少, 其非電離損傷能占比最低為0.23%.Fe的數(shù)目最少但NIEL值比C,N, O大1個(gè)量級(jí), 因此3200個(gè)Fe離子入射0.125 mm3InP產(chǎn)生的非電離損傷能在空間重離子中不可忽視, 占比達(dá)到0.56%.以上統(tǒng)計(jì)有效對(duì)比了空間輻射環(huán)境中不同粒子產(chǎn)生的非電離損傷能, 為InP材料在空間中的應(yīng)用提供參考數(shù)據(jù).

3.3 不同重離子入射不同厚度的InP材料產(chǎn)生的NIEL及其深度分布

如表5所示, 統(tǒng)計(jì)了C, N, O, Fe在不同厚度(500, 1000, 5000 μm)的InP材料中產(chǎn)生的NIEL平均值及變異系數(shù), 變異系數(shù)在10–2量級(jí), 說(shuō)明數(shù)據(jù)離散程度較小, NIEL平均值具有代表性.

表5 重離子在500, 1000, 5000 μm InP產(chǎn)生的NIEL統(tǒng)計(jì)表Table 5.NIEL of heavy ion produced in 500, 1000, 5000 μm InP.

由表5可知, 隨著材料厚度的增加, NIEL值出現(xiàn)變小的趨勢(shì), 但是數(shù)值變化不大.重離子在500 μm和1000 μm的InP中的NIEL值相差不大, 下降比例從500 μm到1000 μm約為0.6%—2.7%; 重離子在1000 μm 和5000 μm InP中的NIEL值相差略多, NIEL值從1000 μm到5000 μm下降比例約為6%—18%.猜測(cè)原因在于當(dāng)材料厚度增加后, 能譜中的中高能粒子的射程遠(yuǎn)大于5000 μm, 在InP 材料中產(chǎn)生均勻損傷, 而低能粒子會(huì)在材料前端發(fā)生完全沉積, 導(dǎo)致材料后端非電離損傷能相對(duì)降低, 使得NIEL值減小.但是空間能譜中低能粒子數(shù)目占比小, 所以隨著材料厚度的增大, 低能粒子在材料中的非均勻位移損傷對(duì)NIEL值的影響不顯著, 即NIEL值減小幅度低.

由(3)式可知, 在材料種類(lèi)確定的情況下,NIEL的計(jì)算與平均非電離損傷能Tdam和材料厚度有關(guān), 為了驗(yàn)證上述猜想, 需進(jìn)一步研究空間重離子在InP材料中產(chǎn)生的Tdam隨深度分布情況.由于重離子在500 μm和1000 μm InP中的Tdam隨深度分布與5000 μm InP前端分布相同, 因此只給出重離子在5000 μm InP材料中Tdam隨深度的分布.

如圖3所示, 實(shí)心球?yàn)?0次計(jì)算得到的Tdam平均值, 陰影部分為10次計(jì)算結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差.由于粒子與物質(zhì)相互作用發(fā)生概率為泊松分布, 同一能量粒子兩次打入材料, 發(fā)生非電離反應(yīng)的位置可能不同, 且本文使用從能譜中按概率取值的方式設(shè)置入射粒子動(dòng)能, 增加了數(shù)據(jù)選取的隨機(jī)性, 導(dǎo)致Tdam隨深度的分布會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)漲落, 波動(dòng)較大, 但依然可以得到重離子入射InP產(chǎn)生的Tdam隨深度的分布趨勢(shì), 即Tdam隨入射深度的增大而減小,詳細(xì)分析見(jiàn)下文.圖中標(biāo)準(zhǔn)差量級(jí)均為10–2, 但是由于Fe的Tdam波動(dòng)較大, 在2.5 keV范圍內(nèi)波動(dòng),而其他離子Tdam僅在0.2 keV范圍內(nèi)波動(dòng), 因此Fe的陰影區(qū)域相較于其他離子的陰影區(qū)域要小,但從計(jì)算精度而言, C, N, O, Fe的標(biāo)準(zhǔn)差均在同一量級(jí).同時(shí), 因?yàn)镕e的質(zhì)量數(shù)為56, 將圖1(b)橫坐標(biāo)乘以56, 得到其能量范圍為5.6—5600000 MeV,相較于C, N, O的能量范圍, Fe的能量取值范圍更廣, 所以Fe的Tdam波動(dòng)更大.

圖3 不同種類(lèi)重離子(a) C, (b) N, (c) O, (d) Fe入射5000 μm InP產(chǎn)生的平均非電離損傷能隨深度分布圖Fig.3.Distribution average non-ionization damage energy of different heavy ions (a) C, (b) N, (c) O, (d) Fe with depth in 5000 μm InP.

由圖3可知, C, N, O, Fe入射InP材料產(chǎn)生的Tdam隨深度增加而減少, 入射深度小于1000 μm時(shí), Tdam的下降趨勢(shì)尚不明顯, 則表5中NIEL值下降比例小.當(dāng)入射深度大于1000 μm后, Tdam近似成線性下降, 材料后端的非電離能量沉積相較于前端減少很多, 則表5中NIEL值下降比例增大.綜上可知, 隨著材料厚度的增大, 低能重離子在較厚材料前端發(fā)生完全沉積, 導(dǎo)致材料整體的位移損傷分布不均勻, 即Tdam在材料中出現(xiàn)下降情況,進(jìn)而使NIEL值減小.

分析圖3縱坐標(biāo)可知, 隨著原子序數(shù)的增大,C, N, O, Fe入射InP材料產(chǎn)生的Tdam的分布區(qū)間從0.63—0.77 keV逐漸上升為3.5—5 keV, 說(shuō)明隨著原子序數(shù)的增大, Tdam也逐漸增大, 則總非電離損傷能增大.與表3中NIEL值隨原子序數(shù)的增大而增大的趨勢(shì)相同.說(shuō)明質(zhì)量數(shù)大的重離子在InP材料中非電離能量沉積多, 產(chǎn)生位移損傷的能力強(qiáng).因此, 空間輻射環(huán)境中需要關(guān)注低能重離子入射InP電子器件產(chǎn)生的位移損傷.

4 結(jié) 論

本文使用Geant4模擬空間重離子(C, N, O,Fe)入射InP產(chǎn)生的位移損傷, 主要結(jié)論有: 1)在500 μm InP中, 比 較H, He, C, N, O, Fe的NIEL值, 發(fā)現(xiàn)NIEL值與原子序數(shù)的平方成正比,Fe NIEL值最大.同時(shí)比較了6種粒子及其PKA的NIEL值, H, He NIEL值比PKA的大1—2個(gè)量級(jí), 而重離子NIEL值比PKA大3—4個(gè)量級(jí), 說(shuō)明空間重離子在InP材料中產(chǎn)生的位移損傷主要與重離子產(chǎn)生的PKA有關(guān), 重離子產(chǎn)生的SKA在InP材料中的位移損傷可忽略; 2)在實(shí)際應(yīng)用中, 由于空間重離子數(shù)目占比小, 一年中H,He在0.125 mm3InP中產(chǎn)生的非電離損傷能在空間輻射環(huán)境中占比達(dá)97.44%, 重離子占比僅為2.56%, 但重離子NIEL值約是H, He的2—30倍,單個(gè)空間重離子在InP電子器件中的位移損傷效應(yīng)不可忽略; 3)統(tǒng)計(jì)了C, N, O, Fe在500, 1000,5000 μm InP中的NIEL值及Tdam隨深度分布,發(fā)現(xiàn)NIEL值隨厚度增大而減小, 但減小幅度不大, 原因在于當(dāng)?shù)湍茈x子射程小于InP材料厚度時(shí), 在材料前端發(fā)生完全沉積, 導(dǎo)致后端非電離能量沉積相對(duì)變小, 進(jìn)而使NIEL值隨深度增大而減小.進(jìn)一步分析Tdam隨深度分布可知,Tdam隨粒子入射深度的增加而減小, 驗(yàn)證了上述說(shuō)法的正確性, 同時(shí)說(shuō)明空間重離子在InP材料中產(chǎn)生的位移損傷嚴(yán)重區(qū)域主要分布在材料前端.

綜上可知, 空間輻射環(huán)境中需要考慮低能高原子序數(shù)離子在InP電子器件中產(chǎn)生的位移損傷效應(yīng).本文的工作對(duì)于InP電子器件在空間環(huán)境中的應(yīng)用有重要意義, 為InP電子器件在軌性能預(yù)測(cè)和屏蔽防護(hù)設(shè)計(jì)提供參考數(shù)據(jù).