瞬稳态辐照模式硅材料器件位移损伤机理研究

In outer space, reactor and nuclear explosions conditions, reliability of electronic systems has received widespread concern. At present, the domestic study of anti-neutron radiation hardening is mostly carried out in steady-state irradiation. However, the anti-neutron radiation property of electronic systems in a transient irradiation field in the same concern also deserves attention. Previous studies show that there were significant differences between the DC gain changes of transistors under transient and steady neutron irradiation. In addition the devices in a transient irradiation field received more severe damaging effects at the end of pulse. In order to understand the similarities and differences of radiation effects under different irradiation conditions, it is necessary to research the damage mechanisms at different neutron irradiation modes. This project intends to study the displacement defects change over time and the distribution of defects after annealing using simulation methods combined with experiments. Then further preliminary interpretation of the damaging effects of silicon-based semiconductor devices under different irradiation patterns can be revealed. Meanwhile, we can also explore simulation methods under mesoscopic scale and lay the foundation for a systematic study of radiation effects on semiconductor devices.

在外太空、反应堆以及核爆炸等条件下，电子系统的可靠性研究一直收到广泛的关注。目前，国内在研究抗中子辐射加固性能时，大多采用的是稳态辐照。然而，电子系统在瞬态辐照场中的抗中子辐射能力同样值得关注。已有实验表明，瞬态中子辐照过程中三极管的直流增益变化与稳态辐照下的结果存在显著差别，且在脉冲结束时刻器件的损伤效应相对稳态情况更加严重。因此为了理解不同辐照模式下损伤效应的异同性，需要开展不同中子辐照条件下损伤机理的研究。本项目拟采用模拟计算结合实验的方法，研究不同中子辐照模式下硅基半导体材料及器件内位移缺陷随时间的变化过程以及退火后缺陷的分布情况，进而初步解释不同辐照模式下硅基半导体器件损伤效应的异同性。同时也可以探索介观尺度的模拟方法，为系统性的研究半导体器件的辐照效应打下基础。

电子元器件和集成电路在空间、反应堆及核爆炸等辐照环境下工作会受到各种辐照射线的影响。而电子体系辐照条件下的可靠性与单个器件的抗辐射性能息息相关。从机理层面了解中子对器件的损失机制对于判断系统的可靠性以及提升元器件的抗辐射性能有着重要意义。基于该目的，本项目通过理论结合实验的方法研究了典型硅基元器件瞬稳态不同辐照模式下辐射损伤的差异性。实验方面，自主设计构建了瞬态脉冲实验所需的在线测量平台，利用该平台获得了双极晶体管、光耦器件瞬稳态不同模式下的辐射损伤实验数据，利用深能级谱仪测量了辐照后样品的缺陷情况。理论方面，利用多尺度方法分析了中子入射、缺陷产生、缺陷迁移及演化、缺陷对宏观器件性能影响等关键物理过程，从而构建了初步的硅基材料中子辐射损伤模型，可以分别模拟瞬态和稳态中子入射后的辐射损伤情况。通过实验发现所研究的三极管以及光耦器件在瞬稳态不同辐照模式下的辐射损伤存在明显差异，辐照过程中及短时间退火后瞬态辐照所致的损失要强于稳态情况。还发现中子注量率也会对部分三极管的辐射损伤产生影响。利用构建的中子损伤模型可以获得不同辐射条件下双空位、空位-磷、双空位-氧等关键缺陷的产量，从而定性解释了部分瞬态和稳态实验的结果。本项目的研究说明瞬态实验不能被稳态实验所代替，两者所造成的辐射损伤存在一定差异。所积累的基础性研究成果可以为电子学系统的可靠性评估以及元器件的抗辐射性能加固提供支撑。国内针对中子辐射损伤的基于材料层面的理论建模工作相对较少，本项目所做的建模工作可以为该领域的发展贡献一份力量。未来的研究希望能够将目前定性解释实验的模型向半定量，甚至是定量的方向逐步发展。