CMOS器件60Co γ射线、电子和质子电离辐射损伤比较

利用TRIM95蒙特卡罗软件计算了质子在二氧化硅中的质量阻止本领和能量沉积，比较了质子在二氧化硅中的电离阻止本领与核阻止本领，分析了质子在材料的表面吸收剂量与灵敏区实际吸收剂量的关系.利用⁶⁰Co γ射线、1MeV电子和2—9 MeV质子对CC4007RH和CC4011器件进行辐照实验，比较⁶⁰Co γ射线和带电粒子的电离辐射损伤情况.实验结果表明，⁶⁰Co γ射线、1MeV 电子和2—7MeV质子辐照损伤效应中，在0V栅压下可以相互等效； 关键词： γ射线 电子 质子 辐射损伤     

不同能量质子辐照诱发CCD图像传感器性能退化实验与分析

为了评估电荷耦合器件(CCD)在空间科学探测以及航天卫星成像等空间辐射环境中应用的可靠性,揭示了CCD转换增益以及线性饱和输出等重要性能参数的退化机制及其实验规律。辐照实验在质子回旋加速器上进行,质子能量为60 MeV和100 MeV,质子注量分别为1×10¹⁰ cm^-2、5×10¹⁰ cm^-2和1×10¹¹ cm^-2。将CCD的主要性能参数在两个不同能量质子辐照后进行比较,实验结果表明,CCD的性能参数对质子辐照产生的电离损伤和位移损伤非常敏感,辐照后转换增益和线性饱和输出明显下降,且暗信号尖峰和暗电流明显增大。此外,分析了质子辐照CCD诱发的电离损伤和位移损伤,给出了CCD性能参数退化与质子辐照能量和注量的变化关系曲线。     

氮化镓基高电子迁移率晶体管单粒子和总剂量效应的实验研究

利用重离子加速器和~(60)Co γ射线实验装置,开展了p型栅和共栅共源级联结构增强型氮化镓基高电子迁移率晶体管的单粒子效应和总剂量效应实验研究,给出了氮化镓器件单粒子效应安全工作区域、总剂量效应敏感参数以及辐射响应规律.实验发现, p型栅结构氮化镓器件具有较好的抗单粒子和总剂量辐射能力,其单粒子烧毁阈值大于37 MeV·cm~2/mg,抗总剂量效应水平高于1 Mrad (Si),而共栅共源级联结构氮化镓器件则对单粒子和总剂量辐照均很敏感,在线性能量传输值为22 MeV·cm~2/mg的重离子和累积总剂量为200 krad (Si)辐照时,器件的性能和功能出现异常.利用金相显微镜成像技术和聚焦离子束扫描技术分析氮化镓器件内部电路结构,揭示了共栅共源级联结构氮化镓器件发生单粒子烧毁现象和对总剂量效应敏感的原因.结果表明,单粒子效应诱发内部耗尽型氮化镓器件的栅肖特基势垒发生电子隧穿可能是共栅共源级联结构氮化镓器件发生源漏大电流的内在机制.同时发现,金属氧化物半导体场效应晶体管是导致共栅共源级联结构氮化镓器件对总剂量效应敏感的可能原因.     

3 MeV质子辐照对AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管的影响

研究了AlGaN/GaN 高电子迁移率晶体管(HEMT)的质子辐照效应. 在3 MeV质子辐照下, 当辐照剂量达到1× 10¹⁵ protons/cm²时, 漏极饱和电流下降了20%, 最大跨导降低了5%. 随着剂量增加, 阈值电压向正向漂移, 栅泄露电流增加. 在相同辐照剂量下, 1.8 MeV质子辐照要比3 MeV质子辐照退化严重. 从SRIM软件仿真中得到不同能量质子在AlGaN/GaN异质结中的辐射损伤区, 以及在一定深度形成的空位密度. 结合变频C-V测试结果进行分析, 表明了质子辐照引入空位缺陷可能是AlGaN/GaN HEMT器件电学特性退化的主要原因.     

γ射线及质子辐照导致CCD光谱响应退化的机制

光谱响应是表征CCD性能的重要参数。为了研究辐射环境对CCD光谱响应产生影响的规律及物理机制,开展了不同粒子辐照实验,对CCD光谱响应曲线的退化形式及典型波长下CCD光响应的退化情况进行了分析。辐射效应对CCD光谱响应的影响可以分为电离总剂量效应和位移效应导致的退化,本文从这两种辐射效应出发,采用⁶⁰Co-γ射线及质子两种辐照条件,研究了CCD光谱响应的退化规律。针对460 nm（蓝光）和700 nm（红光）等典型CCD光响应波长,从辐射效应导致的损伤缺陷方面分析了CCD光谱响应退化的物理机制。研究发现,在⁶⁰Co-γ射线辐照时CCD光谱响应曲线变化是由于暗信号增加导致的,而质子辐照导致CCD对700 nm波长的光响应退化明显大于460 nm波长的光响应,且10 MeV质子导致的损伤比3 MeV质子更明显,表明位移损伤缺陷易导致CCD光谱响应退化。结果表明,电离总剂量效应主要导致CCD光谱响应整体变化,而位移效应则导致不同波长光的响应差异增大。     

质子辐照作用下浮栅单元的数据翻转及错误退火

本文利用60 MeV质子束流,开展了NAND (not and) flash存储器的质子辐照实验,获取了浮栅单元的单粒子翻转截面,分析了浮栅单元错误的退火规律,研究了质子辐照对浮栅单元的数据保存能力的影响.实验结果表明,浮栅单元单粒子翻转截面随质子能量的升高而增大,随质子注量的升高而减小.浮栅单元错误随着退火时间的推移持续增多,该效应在低能量质子入射时更为明显.经质子辐照后,浮栅单元的数据保存能力有明显的退化.分析认为高能质子通过与靶原子的核反应,间接电离导致浮栅单元发生单粒子翻转,翻转截面与质子注量的相关性是因为浮栅单元单粒子敏感性的差异.质子引起的非电离损伤会在隧穿氧化层形成部分永久性的缺陷损伤,产生可以泄漏浮栅电子的多辅助陷阱导电通道,导致浮栅单元错误增多及数据保存能力退化.     

辐照下背栅偏置对部分耗尽型绝缘层上硅器件背栅效应影响及机理分析

基于部分耗尽型绝缘层上硅（SOI）器件的能带结构,从电荷堆积机理的电场因素入手,为改善辐照条件下背栅Si/SiO₂界面的电场分布,将半导体金属氧化物（MOS）器件和平板电容模型相结合,建立了背栅偏置模型.为验证模型,利用合金烧结法将背栅引出加负偏置,对NMOS和PMOS进行辐照试验,得出:NMOS背栅接负压,可消除背栅效应对器件性能的影响,改善器件的前栅I-V特性;而PMOS背栅接负压,则会使器件的前栅I-V性能恶化.因此,在利用背栅偏置技术改善SOI/NMOS器件性能的同时,也需要考虑背栅偏置对PMOS的影响,折中选取偏置电压.该研究结果为辐照条件下部分耗尽型SOI/MOS器件背栅效应的改善提供了设计加固方案,也为宇航级集成电路设计和制造提供了理论支持.     

CMOS器件60Coγ射线、电子和质子电离辐射损伤比较

利用TRIM95蒙特卡罗软件计算了质子在二氧化硅中的质量阻止本领和能量沉积,比较了质子在二氧化硅中的电离阻止本领与核阻止本领,分析了质子在材料的表面吸收剂量与灵敏区实际吸收剂量的关系.利用60Coγ射线、1MeV电子和2-9 MeV质子对CC4007RH和CC4011器件进行辐照实验,比较60Coγ射线和带电粒子的电离辐射损伤情况.实验结果表明,60Coγ射线、1MeV电子和2-7MeV质子辐照损伤效应中,在0V栅压下可以相互等效;在5V栅压下,以60Coγ射线损伤最为严重,1MeV电子的辐射损伤与60Coγ射线差别不大,9MeV以下质子辐射损伤总是小于60Coγ射线,能量越低,损伤越小.     

质子入射AlxGa1–xN材料的位移损伤模拟

氮化镓材料由于优良的电学特性以及耐辐照性能,其与不同含量Al_xGa_1–xN材料组成的电子器件,有望应用于未来空间电子系统中.然而目前关于氮化镓位移损伤机理研究多关注于氮化镓材料,对于Al_xGa_1–xN材料位移损伤研究较少.本文通过两体碰撞近似理论模拟了10 keV—300 MeV质子在不同Al元素含量的Al_xGa_1–xN材料中的位移损伤机理.结果表明质子在Al_xGa_1–xN材料中产生的非电离能损随质子能量增大而下降,当质子能量低于40 MeV时,非电离能损随着Al含量的增大而变大,当质子能量升高时该趋势相反;分析由质子导致的初级撞出原子以及非电离能量沉积,发现不同Al_xGa_1–xN材料初级撞出原子能谱虽然相似,然而Al元素含量越高,由弹性碰撞产生的自身初级撞出原子比例越高;对于质子在不同深度造成的非电离能量沉积,弹性碰撞导致的能量沉积在径迹末端最大,而非弹性碰撞导致的能...     

绝缘体上硅金属氧化物半导体场效应晶体管中辐射导致的寄生效应研究

基于⁶⁰Co γ射线源研究了总剂量辐射对绝缘体上硅（silicon on insulator,SOI）金属氧化物半导体场效应晶体管器件的影响.通过对比不同尺寸器件的辐射响应,分析了导致辐照后器件性能退化的不同机制.实验表明：器件的性能退化来源于辐射增强的寄生效应;浅沟槽隔离（shallow trench isolation,STI）寄生晶体管的开启导致了关态漏电流随总剂量呈指数增加,直到达到饱和;STI氧化层的陷阱电荷共享导致了窄沟道器件的阈值电压漂移,而短沟道器件的阈值电压漂移则来自于背栅阈值耦合;在同一工艺下,尺寸较小的器件对总剂量效应更敏感.探讨了背栅和体区加负偏压对总剂量效应的影响,SOI器件背栅或体区的负偏压可以在一定程度上抑制辐射增强的寄生效应,从而改善辐照后器件的电学特性.     

质子辐照电荷耦合器件诱导电荷转移效率退化的实验分析

开展了电荷耦合器件（CCD）质子辐照损伤的实验研究. 分析了质子辐照CCD后电荷转移效率的退化规律,阐述了质子辐照诱导电荷转移效率退化的损伤机理,比较了不同能量质子对电荷转移效率的损伤程度. 通过开展辐射粒子输运理论计算,分析了不同能量质子对电荷转移效率损伤差异的原因. 关键词： 电荷耦合器件 质子 辐照效应 电荷转移效率     

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。     

975 nm量子阱激光二极管的质子位移损伤

针对典型卫星轨道辐射环境下激光二极管(LD)的可靠性评估问题，对自研的975 nm GaAs基量子阱(QW)LD开展了10 MeV质子、3×10⁸～3×10¹¹ cm^-2注量的地面模拟辐照实验。结合蒙特卡罗软件仿真模拟和数学分析方法，全面研究了器件位移损伤退化规律，以及不同注量、不同辐照缺陷对器件功率特性、电压特性和波长特性等关键参数的影响。结果显示，质子辐照会引入非辐射复合中心等缺陷并破坏界面结构，导致载流子浓度降低、光电限制能力下降，宏观上体现为器件阈值电流增加、输出功率下降、波长红移和单色性受损。同时，3×10¹⁰ cm^-2以上注量的10 MeV质子等效位移损伤剂量辐照会对975 nm QW LD性能产生较大影响。     

质子辐照CH3NH3PbI3基钙钛矿太阳能电池的损伤效应

针对钙钛矿太阳能电池(PSCs)的空间应用,研究了动能为0.1—20.0 MeV的质子在CH₃NH₃PbI₃(简称MAPbI₃)薄膜及其太阳能电池中引起的损伤效应.结果表明, PSCs具有良好质子辐照稳定性,当0.1 MeV(2.0 MeV)质子的注量超过1×10¹³ p/cm² (1×10¹⁴ p/cm²)时,才会引起电池光电性能的降低. PSCs载流子传输层的辐照退化可能是造成电池性能降低的主要原因. MAPbI₃中的有机成分MAI会在质子辐照作用下发生分解,分解产生的气态产物(NH₃和CH₃I)将最终导致PSCs表面金电极的剥落.对于具有更大离子射程的10 MeV和20 MeV质子,入射质子会在PSCs的玻璃基底中产生色心缺陷,造成玻璃对可见光透射率的降低.色心缺陷可以在室温或100℃条件下发生热退火,降低玻璃的透射损失.     

三维数值仿真研究锗硅异质结双极晶体管总剂量效应

为探索锗硅异质结双极晶体管(SiGe HBT)总剂量效应的损伤机理,采用半导体器件三维模拟工具(TCAD),建立电离辐照总剂量效应损伤模型,分析比较电离辐射在SiGe HBT不同氧化层结构的不同位置引入陷阱电荷缺陷后,器件正向Gummel特性和反向Gummel特性的退化特征,获得SiGe HBT总剂量效应损伤规律,并与⁶⁰Coγ辐照实验进行对比.结果表明:总剂量辐照在SiGe HBT器件中引入的氧化物陷阱正电荷主要在pn结附近的Si/SiO₂界面处产生影响,引起pn结耗尽区的变化,带来载流子复合增加,最终导致基极电流增大、增益下降;其中EB Spacer氧化层中产生的陷阱电荷主要影响正向Gummel特性,而LOCOS隔离氧化层中的陷阱电荷则是造成反向Gummel特性退化的主要因素.通过数值模拟分析获得的SiGe HBT总剂量效应损伤规律与不同偏置下⁶⁰Coγ辐照实验的结论符合得较好.     

电荷耦合器件在质子辐照下的粒子输运仿真与效应分析

应用蒙特卡洛方法计算了质子在科学级电荷耦合器件(charge-coupled device, CCD) 结构中的能量沉积, 并结合该CCD的质子辐照试验及退火试验数据, 分析了器件的辐射损伤机理. 仿真计算体硅内沉积的位移损伤剂量和栅氧化层的电离损伤剂量, 辐照与退火试验过程中主要考察暗信号、电荷转移效率两个参数的变化规律. 研究结果显示, 暗信号和电荷转移效率的变化规律与位移、电离损伤剂量一致; 退火后暗信号大幅度降低, 辐照导致的表面暗信号增加占总暗信号增加的比例至少为80%; 退火后电荷转移效率恢复较小, 电荷转移效率降低的原因主要为体缺陷. 通过总结试验规律, 推导出了电荷转移效率退化程度的预估公式及其损伤因子k_damage.     

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.     

质子辐照导致科学级电荷耦合器件电离效应和位移效应分析

针对卫星轨道上的空间环境辐射引起电子元器件参数退化问题, 为了研究光电器件空间辐射效应、损伤机理以及参数退化规律, 对某国产埋沟科学级电荷耦合器件(charge-coupled devices, CCD)进行了10 MeV质子辐照试验、退火试验及辐射效应理论模型研究. 试验过程中重点考察了器件的暗信号和电荷转移效率特性的变化. 试验结果表明, 器件的主要性能参数随着质子辐照注量的增大明显退化, 在退火过程中这些参数均有不同程度的恢复. 通过对CCD敏感参数退化规律及其与器件工艺、结构的相关性进行分析, 并根据半导体器件辐射效应理论, 推导了器件敏感参数随质子辐照注量变化的理论模型, 得到了暗信号及电荷转移效率随辐照注量退化的半经验公式. 上述工作可为深入开展CCD抗辐射性能预测、抗辐射工艺改进与结构优化提供重要参考.     

质子辐照硼硅酸盐玻璃盖片的物理效应分析

作为航天器电源系统的重要组成部分,太阳电池需要更高的转换效率和可靠性以及更长的使用寿命。通过在太阳电池表面覆盖抗辐照玻璃盖片,可以增强太阳电池对粒子辐射的防护,延长太阳电池的服役寿命,使航天器获得可靠的能源供应。硼硅酸盐玻璃就是一种理想的太阳电池玻璃盖片材料。采用蒙特卡罗方法,结合SRIM软件模拟研究质子辐照硼硅酸盐玻璃的损伤物理机理。基于粒子与物质相互作用的理论以及基本公式,通过分析不同入射能量的质子在硼硅酸盐玻璃中的阻止本领、电离能损、位移能损、空位的产生情况,对辐照损伤的物理机制进行研究。结果表明：能量为30～120 keV的质子辐照损伤主要发生在硼硅酸盐玻璃表面;质子沉积、空位分布等均为Bragg峰型分布;电离能损是能量损失的主要部分,随入射能量的增加而增大,导致电子的电离和激发;位移能损在玻璃内部随能量降低而增大,导致硼、氧和硅等空位缺陷的产生;电离效应和缺陷的产生是硼硅酸盐玻璃色心形成的重要原因。     

GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池不同能量质子辐照损伤模拟

以GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池为研究对象,开展了能量为0.7, 1, 3, 5, 10 MeV的质子辐照损伤模拟研究,建立了三结太阳电池结构模型和不同能量质子辐照模型,获得了不同质子辐照条件下的I-V曲线,光谱响应曲线,结合已有实验结果验证了本文模拟结果,分析了三结太阳电池短路电流、开路电压、最大功率、光谱响应随质子能量的变化规律,利用不同辐照条件下三结太阳电池最大输出功率退化结果,拟合得到了三结太阳电池最大输出功率随位移损伤剂量的退化曲线.研究结果表明,质子辐照会在三结太阳电池中引入位移损伤缺陷,使得少数载流子扩散长度退化幅度随质子能量的减小而增大,从而导致三结太阳电池相关电学参数的退化随质子能量的减小而增大.相同辐照条件下,中电池光谱响应退化幅度远大于顶电池光谱响应退化幅度,中电池抗辐照性能较差,同时中电池长波范围内光谱响应的退化幅度比短波范围更大,表明中电池相关电学参数的退化主要来源于基区损伤.