CN108346565B - 一种基于电离辐照诱导位移缺陷退火的方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于电离辐照诱导位移缺陷退火的方法，本发明涉及一种基于电离辐照诱导位移缺陷退火的方法，本发明的目的是为了解决粒子辐射会引起器件的位移损伤的问题，本发明基于Monte Carlo计算方法，计算单位注量入射粒子的电离/位移吸收剂量和射程。根据电离和位移吸收剂量的比例关系，以及试样特征，确定入射粒子的类型，保证入射粒子在试样的输运过程中，能够促使试样内部已有的位移缺陷退火。本发明应用基于电离辐照诱导位移缺陷退火的方法，步骤简单，易于操作。本发明应用于空间环境效应、核科学与应用技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于电离辐照诱导位移缺陷退火的方法。
背景技术
航天器在空间轨道运行，将会受到多种环境因素的影响：如粒子辐射、微重力、及原子氧等。随着电子技术的飞速发展，电子元器件的应用越来越广泛。在卫星、宇宙飞船及航天飞机上，广泛应用电子器件，以实现各种功能。对于电子器件，粒子辐射是最致命的环境因素。早期发射的航天器曾多次因损伤而失效。随着科学技术的发展，虽然卫星等航天器产生致命故障的事例越来越少，但仍时有发生。空间粒子辐射会使卫星的工作寿命缩短，从而造成巨大损失。即使采用封装和加保护等方法也不能保证电子器件完全避免辐射的影响。不同类型的空间带电粒子同时作用于航天器用关键材料和器件，导致空间综合环境效应，尤其是电离/位移协同效应。
在宇宙空间中，器件遭受的辐射损伤效应常与大部分由高能质子辐射有关。高能质子不仅造成总剂量效应，还会引起位移损伤。这两种损伤的协同效应不是简单的加合，而是以一种复杂的形式相互作用。不同类型的材料对电离损伤和位移损伤的敏感性不同，绝缘体材料主要对电离损伤敏感，半导体材料主要对位移损伤敏感。此外，有些粒子主要导致电离损伤、有些粒子主要导致位移损伤，有些粒子既能产生电离损伤同时又可以产生位移损伤。当发生位移损伤时，会影响半导体内部的少子寿命及迁移率，致使器件的性能会发生明显的退化。
因此，如果能够找到一种方式，在保持温度不变的条件下，促使位移缺陷数量的减少，对于实现空间综合环境与材料和器件作用基本理论和评价方法，揭示空间综合环境下材料和器件性能退化的基本规律与各种空间环境综合效应的物理本质，具有重要的工程价值和科学意义。
发明内容
本发明的目的是为了解决粒子辐射会引起器件的位移损伤的问题，提供一种基于电离辐照诱导位移缺陷退火的方法。
本发明一种基于电离辐照诱导位移缺陷退火的方法，按以下步骤进行：
一、测量含有位移缺陷试样的芯片厚度a，以及含有位移缺陷的区域距表面的最远距离b；
二、选择入射粒子的种类，然后通过Geant4软件，输入入射粒子的辐射源能量，计算入射粒子在试样芯片中的入射深度d，保证输入的辐射源能量满足d＞2a或d＞4b；
三、根据步骤二的辐射源能量，通过Geant4软件，计算单位注量的入射粒子在试样内的电离吸收剂量Id和位移吸收剂量Dd；
根据电离吸收剂量Id和位移吸收剂量Dd随着入射深度的分布，获得电离吸收剂量Id和位移吸收剂量Dd在试样内部产生的损伤的不均匀度，若不均匀度都≥10％，则返回步骤二；若不均匀度都＜10％，则进行步骤四；
四、计算log[(Id+Dd)/Dd]，若log[(Id+Dd)/Dd]≤5，则重复步骤二至步骤三，重新选择入射粒子；若log[(Id+Dd)/Dd]>5，则采用步骤二选择的入射粒子的种类和能量对含有位移缺陷的试样进行辐照试验，即完成基于电离辐照诱导位移缺陷退火的方法。
航天器用关键材料和器件主要受到不同能量的质子、电子及重离子等空间综合辐射环境因素的影响。本发明基于Monte Carlo方法，采用Geant4软件分别计算不同类型带电粒子的穿透深度，以及单位注量粒子所产生的电离和位移吸收剂量。在此基础上，针对含有位移缺陷的材料和器件进行辐照试验，达到促使位移缺陷退火的目的。
本发明所涉及的一种基于电离辐照诱导位移缺陷退火的方法，其应用对象包括材料、器件及电子系统。该技术的特征在于，基于Monte Carlo计算方法，计算单位注量入射粒子的电离/位移吸收剂量和射程。根据电离和位移吸收剂量的比例关系，以及试样特征，确定入射粒子的类型，保证入射粒子在试样的输运过程中，能够促使试样内部已有的位移缺陷退火。
不同类型的入射粒子(尤其是不同类型的带电粒子)，在材料和器件的输运过程中，会同时产生电离和位移损伤。当发生电离损伤时，会在瞬间导致大量的电子—空穴对。这些电子/空穴对在室温条件下不稳定，大部分会发生复合。未发生复合的电子/空穴对会继续在材料与器件中运动。在此运动过程中，如果能够选择合适的入射粒子，可保证在其输运过程中，产生的电子和空穴会与已有的位移缺陷发生交互作用，以此促使位移缺陷的退火。
本发明应用基于电离辐照诱导位移缺陷退火的方法，步骤简单，易于操作。本发明所提出的技术途径能够大幅度降低试验的费用，对材料和器件空间环境效应地面模拟试验和研究具有重大的意义。在空间环境效应研究与抗辐照加固技术应用中，有着明显的优势和广泛。
附图说明
图1为40MeV Br离子辐照位移缺陷信号；
图2为先重离子辐照后再电子辐照双极晶体管性能的恢复效应；其中a为只进行1MeV电子辐照，b为先进行Br辐照再进行1MeV辐照，c为分别进行Br和1MeV辐照后性能变化简单累加；
图3为先重离子辐照后再电子辐照位移缺陷信号；其中h为40MeV Br离子辐照，i为先进行40MeV Br离子辐照再进行1MeV电子辐照。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式一种基于电离辐照诱导位移缺陷退火的方法，按以下步骤进行：
一、测量含有位移缺陷试样的芯片厚度a，以及含有位移缺陷的区域距表面的最远距离b；
二、选择入射粒子的种类，然后通过Geant4软件，输入入射粒子的辐射源能量，计算入射粒子在试样芯片中的入射深度d，保证输入的辐射源能量满足d＞2a或d＞4b；
三、根据步骤二的辐射源能量，通过Geant4软件，计算单位注量的入射粒子在试样内的电离吸收剂量Id和位移吸收剂量Dd；
根据电离吸收剂量Id和位移吸收剂量Dd随着入射深度的分布，获得电离吸收剂量Id和位移吸收剂量Dd在试样内部产生的损伤的不均匀度，若不均匀度都≥10％，则返回步骤二；若不均匀度都＜10％，则进行步骤四；
四、计算log[(Id+Dd)/Dd]，若log[(Id+Dd)/Dd]≤5，则重复步骤二至步骤三，重新选择入射粒子；若log[(Id+Dd)/Dd]>5，则采用步骤二选择的入射粒子的种类和能量对含有位移缺陷的试样进行辐照试验，即完成基于电离辐照诱导位移缺陷退火的方法。
航天器用关键材料和器件主要受到不同能量的质子、电子及重离子等空间综合辐射环境因素的影响。本实施方式基于Monte Carlo方法，采用Geant4软件分别计算不同类型带电粒子的穿透深度，以及单位注量粒子所产生的电离和位移吸收剂量。在此基础上，针对含有位移缺陷的材料和器件进行辐照试验，达到促使位移缺陷退火的目的。
本实施方式所涉及的一种基于电离辐照诱导位移缺陷退火的方法，其应用对象包括电子材料、器件及电子系统。该技术的特征在于，基于Monte Carlo计算方法，计算单位注量入射粒子的电离/位移吸收剂量和射程。根据电离和位移吸收剂量的比例关系，以及试样特征，确定入射粒子的类型，保证入射粒子在试样的输运过程中，能够促使试样内部已有的位移缺陷退火。
不同类型的入射粒子(尤其是不同类型的带电粒子)，在材料和器件的输运过程中，会同时产生电离和位移损伤。当发生电离损伤时，会在瞬间导致大量的电子—空穴对。这些电子/空穴对在室温条件下不稳定，大部分会发生复合。未发生复合的电子/空穴对会继续在材料与器件中运动。在此运动过程中，如果能够选择合适的入射粒子，可保证在其输运过程中，产生的电子和空穴会与已有的位移缺陷发生交互作用，以此促使位移缺陷的退火。
本实施方式应用基于电离辐照诱导位移缺陷退火的方法，步骤简单，易于操作。本发明所提出的技术途径能够大幅度降低试验的费用，对材料和器件空间环境效应地面模拟试验和研究具有重大的意义。在空间环境效应研究与抗辐照加固技术应用中，有着明显的优势和广泛。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：辐照粒子为电子、质子、重离子、中子、光子或介子。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：试样为MIS器件或双极工艺器件。其他与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：试样为双极晶体管。其他与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤四辐照试验是在室温条件下，在真空或大气的中进行的。其他与具体实施方式一至四之一相同。
实施例1、
NPN双极晶体管先进行40MeV Br离子辐照，所得试验结果如图1所示。由图可见，经40MeV Br离子辐照后，在晶体管内部产生大量的位移缺陷，包括VO心、V2心及级联缺陷等。
一种基于电离辐照诱导位移缺陷退火的方法，按以下步骤进行：
一、测量上述含有位移缺陷的NPN双极晶体管芯片厚度a，以及位移缺陷距表面的最远距离b；其中a为270μm，b为190μm。
二、通过Geant4软件，输入1MeV电子，计算1MeV电子在试样芯片中的入射深度d，d为750μm，保证输入的辐射源能量满足d＞2a或d＞4b；
三、根据步骤二的辐射源能量1MeV电子，通过Geant4软件，计算单位注量的电子在试样内的电离吸收剂量(Id)和位移吸收剂量(Dd)；
根据电离吸收剂量(Id)和位移吸收剂量(Dd)随着入射深度的分布，获得电离吸收剂量(Id)和位移吸收剂量(Dd)在试样内部产生的损伤的不均匀度，不均匀度都＜10％；
四、计算log[(Id+Dd)/Dd]，log[(Id+Dd)/Dd]为5.4，采用1MeV电子对含有位移缺陷的试样进行辐照试验，即完成基于电离辐照诱导位移缺陷退火的方法。
图2给出了经40MeV Br离子辐照后，再进行1MeV电子辐照时，双极晶体管性能的变化规律，Br辐照注量2.5×108/cm2，其中a为只进行1MeV电子辐照，b为先进行Br辐照再进行1MeV辐照，c为分别进行Br和1MeV辐照后性能变化简单累加。图3给出了先经40MeV Br离子辐照，再进行1MeV电子辐照的结果。由图可见，先进行重离子辐照后，在进行电子辐照时，位移缺陷信号峰值明显减小，出现了电离辐照直接促使位移缺陷退火的现象。
Claims (5)
1.一种基于电离辐照诱导位移缺陷退火的方法，其特征在于该方法按以下步骤进行：
一、测量含有位移缺陷试样的芯片厚度a，以及含有位移缺陷的区域距表面的最远距离b；
二、选择入射粒子的种类，然后通过Geant4软件，输入入射粒子的辐射源能量，计算入射粒子在试样芯片中的入射深度d，保证输入的辐射源能量满足d＞2a或d＞4b；
三、根据步骤二的辐射源能量，通过Geant4软件，计算单位注量的入射粒子在试样内的电离吸收剂量Id和位移吸收剂量Dd；
根据电离吸收剂量Id和位移吸收剂量Dd随着入射深度的分布，获得电离吸收剂量Id和位移吸收剂量Dd在试样内部产生的损伤的不均匀度，若不均匀度都≥10％，则返回步骤二；若不均匀度都＜10％，则进行步骤四；
四、计算log[(Id+Dd)/Dd]，若log[(Id+Dd)/Dd]≤5，则重复步骤二至步骤三，重新选择入射粒子；若log[(Id+Dd)/Dd]>5，则采用步骤二选择的入射粒子的种类和能量对含有位移缺陷的试样进行辐照试验，即完成基于电离辐照诱导位移缺陷退火的方法。
2.根据权利要求1所述的一种基于电离辐照诱导位移缺陷退火的方法，其特征在于辐照粒子为电子、质子、重离子、中子、光子或介子。
3.根据权利要求1所述的一种基于电离辐照诱导位移缺陷退火的方法，其特征在于试样为MIS器件或双极工艺器件。
4.根据权利要求1所述的一种基于电离辐照诱导位移缺陷退火的方法，其特征在于试样为双极晶体管。
5.根据权利要求1所述的一种基于电离辐照诱导位移缺陷退火的方法，其特征在于步骤四辐照试验是在室温条件下，在真空或大气中进行的。
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| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |