低能质子在半导体材料Si和GaAs中的非电离能损

周志祥

(三江学院，江苏 南京 210012)



低能质子在半导体材料Si和GaAs中的非电离能损

周志祥

(三江学院，江苏 南京 210012)

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、GaAS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 keV的低能质子材料中NIEL评测数值量级大约为GaAs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；半导体材料；NIEL非电离能损；Si、GaAs

现今航空作业当中，长时间工作的飞行器在宇宙辐射影响下，内部电子器件和光电器件将随着时间延长逐渐老化，性能降低的同时出现间歇性失灵的状况。对于卫星设备或是空间宇宙飞行器等高精度航天设备将产生致命的影响，严重情况下有可能造成作业失误、脱离轨道甚至操作系统瘫痪、飞行器失灵坠毁[1]。辐射对电子器件的影响效能中，非电离能损(NIEL)占据主导因素，使内部材质在常年辐射后逐渐变性失效。然而传统航天器件保护的主要研究方向为电离辐射屏蔽，随着新型光电器件的应用，材质改变使得空间辐射中NIEL成为主要器件损耗源[2]。屏蔽的器件内部在原子库仑力场作用下的位移能损急剧增大，从而大幅影响器件效能和使用寿命。本文从影响器件寿命的主要损耗源NIEL分析出发，通过程序模拟和实验找出材质保护的途径[3]。

1 辐射质子能损NIEL计算

1.1 主要参数分析

通常情况下，在进行光电器件位移能损量级预测时，衰减程度只需要核算初始损伤及第一级入射粒子碰撞能耗和次级粒子的能量沉积即可。不过多次对比试验数据表明，目前投入使用的各类半导体光电器件在位移能损条件下，性能削减程度与微观器件内原子间库仑场距作用下的非电离能量传递损失量呈正比关系。据此可建立起关系参量NIEL的动态数据网络，继而反映出相应时刻半导体光电器件中粒子的性能衰变程度，从而为材料的物理参量到工程数据转化，提供直观的信息参考[4]。

此外，为保障器件辐射环境下的稳定工作，需要详细的定向屏蔽加固技术。而对于大多数光电器件，空间辐射位移损伤中低能质子贡献占比高达1/3以上。因此，以下主要针对低能质子开展对于Si、GaAs半导体材质的非电离能损研究。

1.2 空间辐射造成的NIEL模拟及计算

NIEL的常规计算方法[5]为

(1)

不过在典型的质子或 类粒子位移损伤的NIEL分析中，常采用Mott-Rutherford截面法统计。又考虑到轻重离子之间库仑场屏蔽效应的差异状态，从而采用解析法配合Monte-Carlo，在SRIM程序环境下计算半导体材质的NIEL阈值。文献[6]采用的库仑场屏蔽方程为ZBL普适散射微分截面函数，计算如下

(2)

入射原子将自身能量通过碰撞传递给目标原子，继而产生次级粒子位移能耗，从而造成位移损伤，将传递给目标原子的能耗记为Ev，计算如下

(3)

综合利用式(2)和式(3)关系可推出NIEL解析式

(4)

需要注意的是，原子下限位移阈能对于不同原子取值不同，通常状态下Si取值21 eV，而对于GaAs则取10 eV。

为了对照验证NIEL解析理论推导式的正确性和拟合程度，将上述参量输入到SRIM程序中进行模拟，并分ioniz.txt和vacancy.txt进行分类输出。以图1表示反应模拟结果与解析函数结果的对照偏移关系[7]。可以得出结论，在辐射产生入射能量的数值上，3种量级的原子曲线在初始段和末尾段偏离解析曲线较多。经数据分析和理论推导猜测，可能由于初始状态下辐射能量较高，在能量传递初期与目标原子的相互作用较小，状态无法精确定量，因而起伏较大。而末尾段相应由于剩余能离散较大，NIEL数值更为贴近解析结果。

按照输出单位总能量损耗，以初始入射原子总能量逐断相减，得出入射粒子与原子能量传递级数，即粒子穿透深度的关系曲线，继而得到辐射能量与NIEL的对应关系。

图1 Messenger计算得出结果与解析结果对比

2 结论与数据分析

2.1 模拟与解析结果

图2和图3分别对应解析函数曲线和SRIM程序模拟曲线，并均以Si和GaAs作为目标原子，计算入射能量与NIEL的关系[8]。

图2 质子在Si材料中NIEL与辐射能量的关系

2.2 数据分析

从数据结果来看，解析法结果更为贴近Messenger。对比两图可知，低能状态下曲线拟合均较为贴近真值，随着能量递增，两种方法结果均低于Summers早期结果，可见库仑屏蔽后，低能质子范围内的NIEL在两种材料中均显著减小[9]。而在纵向比较中，可知在GaAs介质材料中产生的NIEL值小于在Si材料中的NIEL值，显然GaAs材料在航天光电器件和半导体组件装配上性能更佳。

图3 质子在GaAs材料中的NIEL与辐射能量的关系

此外，还需要特别注意的是，由于以上两种方法均只考虑质子库仑相互作用下的低能质子状态，未涉及到影响较弱的相对论和潜在的多种核反应，因此在实际应用中还需要进行匹配试验和性能测试。

3 结论验证

在实际情况中，非电离能损仅占据总辐射能损中的一小部分，甚至不到1%。然而在实际材料损耗中，非电离能损却是造成新型光电器件性能衰减和寿命缩短的主要因素[10]。经过理论推导和实验验证得出，常规状态下NIEL值与器件性能参数呈正比，因此NIEL的半导体材质数据将可以反映出光电器件或半导体器件的性能状态。以10 MeV作为统一基准进行归一化拟合，可得到图4由曲线规律可知在10 MeV以下的低能范围内吻合程度良好，但出现部分溢出异常值。此外，GaAs材质的NIEL数据结果与电池的材质损伤程度存在一定范围内的线性比率，说明本文的计算结果具有一定的现实基础。可在未来的航天新型半导体器件及光电器件中采用NIEL模拟来进行器件性能评定和参数考核[11-12]。

图4 质子在GaAs材料中的NIEL与对应材质太阳能电池相对损伤系数的关系

4 结束语

本文采用解析法和SRIM程序拟合法计算了半导体材质Si和GaAs的NIEL值，并将考虑库仑效应后的数据结果与其他同类型实验参量逐一比较。实验数据表明，库仑场距作用纳入考量标准后，进行过库仑屏蔽的材料中质子间NIEL效应减弱，数值相较未考虑库仑屏蔽效应大幅减小。可见损耗来源主要为NIEL，同时基于SRIM程序的模拟方法比较接近真实曲线，薄靶近似法相对适用。且数据规律表明，能量总值为1 keV的低能质子材料中NIEL评测数值量级约为GaAs质子材料的1/5、Summers数值量级的1/3，这一结果为航天材质设计和改良提供发参考。

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Non Ionization Energy Loss of Low Energy Proton In Semiconductor Materials Si and GaAs

ZHOU Zhixiang

(Sanjiang College, Nanjing 210012, China)

In this paper, we mainly study and analyze a series of displacement damage caused by a new type of optoelectronic devices in the conventional space radiation environment. After many experiments, it is found that the displacement damage and failure of the device are mainly caused by non ionization energy loss (NIEL). The basic loss is: in the low energy space state, the interaction force between the Coulomb will be prominent, and gradually occupy the leading position. At present, the main use of the scattering differential cross section method, such as the Mott-Rutherford type scattering method, can not effectively shield the influence of the Coulomb force, which leads to a large amount of non ionization energy loss. Therefore, the author combines the characteristics and formation of non ionizing energy loss, based on analytic algorithm combining Monte-Carlo derivation method, using SRIM simulation program to calculate accurately the low energy proton in semiconductor materials (Si, GaAs) NIEL orders of magnitude in at the same time, according to a thin target in thought experiment improvement. Experimental results show that a large amount of data for low energy proton energy law: gross material 1 keV in the evaluation of NIEL orders of magnitude is about GaAs, the 1/5 Summers proton material orders of magnitude 1/3, the results will provide important reference for design and improvement of aerospace materials.

low energy proton; semiconductor materials; NIEL non ionization energy loss; Si and GaAs

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.12.052

2016- 10- 20

周志祥(1980-)，男，硕士，讲师。研究方向：大学物理教学。

TN491;TN304.1

A

1007-7820(2016)12-191-03