CCD质子辐照损伤效应的三维蒙特卡罗模拟

针对空间质子诱发CCD性能退化问题,开展了CCD质子辐照效应的三维蒙特卡罗模拟研究。采用三维蒙特卡罗软件Geant4模拟计算了不同能量质子在Si和SiO₂中的射程及Bragg峰,分析了不同能量质子在材料中能量沉积的过程,并将模拟结果与相关数据进行对比,模拟误差在5%以内。根据质子与材料相互作用的物理过程,选取了合适的Lindhard分离函数,添加合适的物理过程,模拟计算了不同能量质子在SiO₂中的电离能量损失和Si中的非电离能量损失,并将结果与国外相关数据进行对比。根据CCD的生产工艺参数,建立了单个像元的三维模拟模型,确定了质子辐照损伤的灵敏体积,模拟计算了不同能量质子在像元灵敏体积内的电离能量沉积与非电离能量沉积,分析了CCD不同能量质子的辐照损伤差异产生的机理。结合粒子输运计算结果与CCD质子辐照实验结果,分析了质子辐照诱发CCD辐射敏感参数退化的物理机制。     

分子动力学模拟H原子与Si的表面相互作用

通过分子动力学模拟了入射能量对H原子与晶Si表面相互作用的影响. 通过模拟数据与实验数据的比较, 得到H原子吸附率随入射量的增加 呈先增加后趋于平衡的趋势. 沉积的H原子在Si表面形成一层氢化非晶硅薄膜, 刻蚀产物(H₂, SiH₂, SiH₃和SiH₄)对H原子吸附率趋于平衡有重要影响, 并且也决定了样品的表面粗糙度. 当入射能量为1 eV时, 样品表面粗糙度最小. 随着入射能量的增加, 氢化非晶硅薄膜中各成分(SiH, SiH₂, SiH₃)的量以及分布均有所变化. 关键词： 分子动力学 吸附率 表面粗糙度 氢化非晶硅薄膜     

645 MeV Xe35+离子辐照SiO2在线光发射的研究

离子辐照可以改变二氧化硅(SiO₂)的晶体结构和光学性质.采用645 MeV Xe³⁵⁺离子辐照SiO₂单晶,在辐照过程中,利用光栅光谱仪测量在200—800 nm范围内的光发射.在发射光谱中,观测到中心位于461和631 nm的发射带.这些发射带是弗伦克尔激子辐射退激产生的,其强度与辐照离子能量和辐照离子剂量密切相关.实验结果表明:发射光强随离子在固体中的电子能损呈指数增加.由于离子辐照对晶体造成损伤,发射光谱强度随辐照剂量的增加而降低.文中讨论了这些与晶体结构有关的发射带,结合能量损失机制讨论了激子形成和退激过程.快重离子辐照过程中发射光谱的原位测量对研究辐照改性具有重要意义,有助于揭示离子辐照引起晶体损伤的物理机制.     

微通道板离子壁垒膜及其对入射离子的阻止作用

给出了三代微光像管中微通道板离子壁垒膜对入射正离子阻止作用的描述,引进了核阻止本领、电子阻止本领和平均射程的概念。结合Tomas-Fermi屏蔽势进行了分析讨论和Monte-Carlo模拟计算,给出Al₂O₃和SiO₂薄膜对不同能量垂直入射时的核、电子阻止的定量结果。得出了Al₂O₃薄膜阻止本领比SiO₂阻止本领高的结论。证实了选用Al₂O₃离子壁垒膜的科学性和可行性。     

Si纳米量子点的LPCVD自组织化形成及其生长机理研究

采用低压化学汽相沉积(LPCVD)方法，依靠纯SiH₄气体分子的表面热分解反应， 在由Si—O—Si键和由Si—OH键终端的两种SiO₂表面上，自组织生长了Si纳米量子点. 实 验研究了所形成的Si纳米量子点密度随SiO₂表面的反应活性位置数、沉积温度以及反应气 压的变化关系. 依据LPCVD的表面热力学过程，定性地分析了Si纳米量子点的形成机理.研究结果对具有密度分布均匀和晶粒尺寸可控的Si纳米量子点的自组织生长，以及Si基新型量子电子器 关键词： Si纳米量子点 LPCVD 自组织化形成 生长机理     

氧化硅层厚度对Si/SiO2界面电子态结构与光学性质的影响

在氧化硅上生长纳米硅晶,保持氧化硅的直接带隙结构,降低其能带带隙,以用于发光和光伏。采用基于密度泛函理论的第一性原理研究了块体α-方石英、薄膜α-方石英、Si/SiO₂界面的电子态结构和Si/SiO₂界面的光学性质。结果显示,其均为直接带隙半导体,当薄膜α-方石英厚度和Si/SiO₂界面氧化硅层厚度逐渐减小时,能带带隙均逐渐变大,表现出明显的量子限制效应。光学性质计算结果表明：Si/SiO₂界面虚部介电峰和吸收峰的峰值随氧化硅层厚度降低而显著升高,且峰位向高能量方向蓝移。使用脉冲激光沉积制备了氧化硅上硅晶薄膜,测量了Si/SiO₂界面样品的PL光谱,在670 nm处存在一个强的发光峰,在波长超过830 nm后,Si/SiO₂界面样品的发光强度不断升高。因此,可以通过控制Si/SiO₂界面氧化硅层厚度有效地调控Si/SiO₂界面的电子态结构和光学性质,引进边缘电子态,调控其带隙进入1～2 eV区间,获取硅基发光材料...     

溅射功率对金属锰膜光学性质的影响

采用磁控溅射方法在Si（111）基片上制备金属锰膜,用椭圆偏振光谱在入射光子能量为2.0–4.0 eV范围内研究了溅射功率对薄膜光学性质的影响. 利用德鲁得-洛伦兹色散模型对椭偏数据进行拟合,结果表明在测量范围内随溅射功率增加薄膜的折射率减小;消光系数随入射光子能量增加先增加后减小,在3.0 eV附近处出现极大值,并且极大值所处的位置随溅射功率增加而向低能方向移动,这主要与溅射沉积的锰薄膜的质量有关,且随溅射功率的增加薄膜的消光系数逐渐趋近于金属锰的数值. 研究结果还表明溅射功率的增加减少了薄膜中的空隙,有利于薄膜的生长. 关键词： 磁控溅射 金属锰膜 椭圆偏振光谱 德鲁得-洛伦兹色散模型     

铪离子等离子体源离子注入铜基体的数值模拟

通过SRIM软件对铪离子等离子体源离子注入铜进行了模拟。模拟了铪离子注入铜的核阻止本领、电子阻止本领、入射深度随能量的变化,以及在不同注入条件下铪离子的摩尔浓度分布,并对模拟结果进行了分析。结果显示：能量低于6 MeV时核阻止本领占主导地位,高于6 MeV时电子阻止本领成为主要的能量损失,并且离子注入过程中会出现能量沉积的Bragg峰和质量沉积区域较集中的现象,入射深度随能量的增加而增加。     

铪离子等离子体源离子注入铜基体的数值模拟

通过SRIM软件对铪离子等离子体源离子注入铜进行了模拟。模拟了铪离子注入铜的核阻止本领、电子阻止本领、入射深度随能量的变化,以及在不同注入条件下铪离子的摩尔浓度分布,并对模拟结果进行了分析。结果显示:能量低于6 MeV时核阻止本领占主导地位,高于6 MeV时电子阻止本领成为主要的能量损失,并且离子注入过程中会出现能量沉积的Bragg峰和质量沉积区域较集中的现象,入射深度随能量的增加而增加。     

硅基锗薄膜选区外延生长研究

利用超高真空化学气相沉积系统, 基于低温Ge缓冲层和选区外延技术, 在Si/SiO₂图形衬底上选择性外延生长Ge薄膜. 采用X射线衍射、扫描电镜、原子力显微镜、拉曼散射光谱等表征了其晶体质量和应变等参数随图形尺寸的变化规律. 测试结果显示, 位错密度随着图形衬底外延窗口的尺寸减小而减少, Ge层中的张应变随窗口尺寸的增大先增大而后趋于稳定. 其原因是选区外延Ge在图形边界形成了(113)面, 减小了材料系统的应变能, 而单位体积应变能随窗口尺寸的增加而减少; 选区外延厚度为380 nm的Ge薄膜X射线衍射曲线半高宽为678", 表面粗糙度为0.2 nm, 表明选区生长的Ge材料具有良好的晶体质量, 有望应用于Si基光电集成.     

Electron trapping properties at HfO_2/SiO_2 interface,studied by Kelvin probe force microscopy and theoretical analysis

Electron trapping properties at the HfO_2/SiO_2 interface have been measured through Kelvin Probe force microscopy,between room temperature and 90 ℃.The electron diffusion in HfO_2 shows a multiple-step process.After injection,electrons diffuse quickly toward the HfO_2/SiO_2 interface and then diffuse laterally near the interface in two sub-steps:The first is a fast diffusion through shallow trap centers and the second is a slow diffusion through deep trap centers.Evolution of contact potential difference profile in the fast lateral diffusion sub-step was simulated by solving a diffusion equation with a term describing the charge loss.In this way,the diffusion coefficient and the average life time at different temperatures were extracted.A value of 0.57 eV was calculated for the activation energy of the shallow trap centers in HfO_2.     

Characterization of SiO2 layers thermally grown on 4H-SiC using high energy photoelectron spectroscopy

Si 2p and C 1s core level spectra recorded at different electron emission angles from SiO₂/SiC samples using a photon energy of 3.0 keV show two components. These are identified as originating from SiO₂ and SiC for Si 2p while for C 1s they are identified to originate from graphite like carbon and SiC. The relative intensity of these components are extracted and compared to calculated intensity variations assuming different models for the elemental distribution in the surface region. For both samples investigated best agreement between experimental and calculated intensity variations with emission angle is obtained when assuming a graphite like layer on top of the oxide layer. Contribution from carbon at the SiC/SiO₂ interface could not be identified.     

MoO_3/Si界面区钼掺杂非晶氧化硅层形成的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,通过模拟MoO_3/Si界面反应,研究了MoO_x薄膜沉积中原子、分子的吸附、扩散和成核过程,从原子尺度阐明了缓冲层钼掺杂非晶氧化硅(a-SiO_x(Mo))物质的形成和机理.结果表明,在1500 K温度下, MoO_3/Si界面区由Mo, O, Si三种原子混合,可形成新的稳定的物相.热蒸发沉积初始时, MoO_3中的两个O原子和Si成键更加稳定,同时伴随着电子从Si到O的转移,钝化了硅表面的悬挂键. MoO_3中氧空位的形成能小于SiO_2中氧空位的形成能,使得O原子容易从MoO_3中迁移至Si衬底一侧,从而形成氧化硅层;替位缺陷中, Si替位MoO_3中的Mo的形成能远远大于Mo替位SiO_2中的Si的形成能,使得Mo容易掺杂进入氧化硅中.因此,在晶硅(100)面上沉积MoO_3薄膜时, MoO_3中的O原子先与Si成键,形成氧化硅层,随后部分Mo原子替位氧化硅中的Si原子,最终形成含有钼掺杂的非晶氧化硅层.     

Amorphous Si/insulator multilayers grown by vacuum deposition and electron cyclotron resonance plasma treatment

a-Si/insulator multilayers have been deposited on (0 0 1) Si by electron gun Si evaporation and periodic electron cyclotron resonance plasma oxidation or nitridation. Exposure to an O or N plasma resulted in the formation of a thin SiO₂ and SiN_x layer whose thickness was self-limited and controlled by process parameters. For thin-layer (2 nm) Si/SiO₂ and Si/SiN_x multilayers no visible photoluminescence (PL) was observed in most samples, although all exhibited weak “blue” PL. For the nitride multilayers, annealing at 750°C or 850°C induced visible PL that varied in peak energy with Si layer thickness. Depth profiling of a-Si caps on thin insulating layers revealed no detectable contamination for the SiN_x layers, but substantial O contamination for the SiO₂ films.     

分子动力学模拟钠硼硅酸盐玻璃电子辐照诱导的结构演化效应

钠硼硅酸盐玻璃作为高放射废物玻璃固化体的候选材料之一,已有大量实验对该类玻璃开展了电子或重离子的辐照效应研究.然而,在理论计算与模拟方面的工作却很少,目前主要集中于重离子的辐照效应,对电子的辐照效应的模拟尚未见报道.本文利用分子动力学工具提出一种新的方法,以实现对电子辐照诱导的玻璃结构演化进行模拟.该方法基于实验中玻璃的结构变化特点,即实验中的拉曼结果已经证实:在大剂量的电子辐照后的玻璃中存在分子氧的事实,由于这些分子氧不会与其他粒子发生相互作用,因而可以通过从体系中逐步地移除一定数量氧原子的方式,以达到模拟大剂量电子辐照的情形,进而得到电子辐照后的玻璃的结构信息.模拟结果显示:随着移除氧原子的数量增加,玻璃中的Si—O—Si平均键角逐渐减小;而且玻璃中的小环数量会因氧的逐渐减少而逐渐增加;玻璃中部分[BO4]结构会转变为[BO3]结构,最终这种转变会达到饱和;大量移除氧之后,玻璃中的钠元素也出现明显的相分离.这些模拟辐照的玻璃结构特性能较好地与实验中的硼硅酸盐玻璃电子辐照诱导的结构变化符合.因此,本文提出的方法有望为通过分子动力学模拟硼硅酸盐玻璃的电子辐照效应提供新思路.     

Charge storage in MOS structures as affected by avalanche- and photoinjection

Experimental data are presented for charge storage in dry SiO₂ of silicon MOS structures, which accompanies electron avalanche- and photoinjection. Dependencies of the effect on prehistory, temperature and field were investigated. Dominant positive charging of nonhydrated structures at 300 K and a field 2 MV/cm were observed. Its characteristic time was found by means of pulse photoinjection. The results obtained are discussed in terms of indirect energy dissipation of hot electrons in SiO₂.     

A new method to determine Si/SiO2 interface recombination parameters using a gate-controlled point-junction diode under illumination

A new method is presented to determine Si/SiO₂ interface recombination parameters. The device employed is constituted by a polysilicon-oxide-semiconductor capacitor with a microscale central junction (a gate-controlled point-junction diode). The excess minority carriers are photo-generated rather than being injected, which results in a one-dimensional current flow normal to the Si/SiO₂interface. The minority carrier quasi-Fermi level is probed at the Si/SiO₂ interface by means of the point junction. The one-dimensionality of the current flow and the exact knowledge of the minority carrier quasi-Fermi level permit an accurate measurement of the recombination rate. The method has been applied to characterize p-type 100 Si/SiO₂ interfaces with boron dopant concentrations ranging from 2.2×10¹⁵ to 2.0×10¹⁷ cm^-3. Data analysis has been performed using a numerical scheme to find a quasi-exact solution for the current recombining at the interface. It was found that the interface recombination parameters (trap density and capture cross-sections) depend only weakly on trap energy in a wide range around midgap. The cross-section for capturing electrons (σ_n) was found to greatly exceed (by a factor of 10² to 10³) the cross-section for capturing holes (σ_p).     

γ射线作用下氧化铪基MOS结构总剂量效应研究

使用原子层淀积方法得到了7.8 nm厚度的HfO₂薄膜并通过直接溅射金属铝电极得到了Al/HfO₂/Si MOS电容结构,测量得到了HfO₂基MOS结构在⁶⁰Co γ射线辐照前后的电容-电压特性,使用原子力显微镜得到了HfO₂薄膜在辐照前后的表面微观形貌,使用X射线光电子能谱方法测量得到了HfO₂薄膜在辐照前后的化学结构变化。研究发现,使用原子层淀积方法制备的HfO₂薄膜表面质量较高;γ射线辐照在HfO₂栅介质中产生了数量级为10¹² cm^-2的负的氧化层陷阱电荷;HfO₂薄膜符合化学计量比,介质内部主要的缺陷为氧空位且随着辐照剂量的增加而增加,说明辐照在介质中引入了陷阱从而导致MOS结构性能的退化。     

THE INTERACTION OF Au AND THE Si/SiO2 INTERFACE DEFECT Hit(0.494)

The defects at the Si/SiO₂ interface have been studied by the deep-level transient spectroscopy (DLTS) technique in p-type MOS structures with and without gold diffusion. The experimental results show that the interaction of gold and Si/SiO₂ interface defect,H_it(0.494), results in the formation of a new interface de-fect, Au-H_it(0.445). Just like the interface defect, H_it(0.494), the new interface defect possesses a few interesting properties, for example, when the gate voltage applied across the MOS structure reduces the energy interval between Fermi-level and Si valence band of the Si surface to values smaller than the hole ionization Gibbs free energy of the defect, a sharp DLTS peak is still observable; and the hole apparent activation energy increases with the decrease of the Si surface potential barrier height. These properties can be successfully explained with the transition energy band model of the Si/SiO₂ interface.