CN111341838A - 硅同位素Si-30在抗中高能中子辐射半导体材料或半导体器件的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硅同位素Si‑30在抗中高能中子辐射半导体材料或半导体器件的应用，所述硅同位素Si‑30的丰度高于其在天然硅中的自然丰度，将其用作半导体材料，该材料在处于能量范围为1eV~10MeV的中高能中子源辐照下，其发生硅原子的离位数DPA较天然硅材料最高可降低约35%，可以有效提升抗中高能中子辐照能力。因此，硅同位素Si‑30作为抗中高能中子辐射半导体材料，可以极大的提高半导体器件的抗中高能中子辐照能力，避免集成电路受损出现功能降级甚至失效。
Description
技术领域
本发明涉及半导体材料学领域，尤其涉及一种硅同位素Si-30在抗中高能中子辐射半导体材料或半导体器件的应用。
背景技术
现有技术中使用的半导体电子设备中会使用到各种各样的材料，包括半导体的硅基板，以及形成在硅基板上的各种介质层，最常见的有氧化硅或氮化硅或碳化硅或锗硅材料。其中无论是硅基板还是硅基板上的氧化硅或氮化硅或碳化硅或锗硅材料，采用的硅均为由自然丰度92.223%的Si-28、自然丰度4.685%的Si-29和自然丰度3.092%的Si-30所构成的天然硅。
然而，当半导体电子设备处于外太空或核事故环境下的主要由中能与高能中子构成的强中子辐照场中时，航天器或核应急救援机器人等的半导体集成电路极易遭受大剂量中、高能中子的轰击，导致集成电路受损出现功能降级甚至失效。
发明内容
本发明的目的是提供一种硅同位素Si-30在抗中高能中子辐射半导体材料或半导体器件的应用，该应用有效提升材料的抗中高能中子辐照能力，实现硅基半导体材料的辐射加固，极大的提高半导体器件的抗中高能中子辐照能力以及延长基于该材料的器件使用寿命，避免集成电路受损出现功能降级甚至失效。
实现本发明目的的技术方案是：
一种硅同位素Si-30在抗中高能中子辐射半导体材料的应用。
所述硅同位素Si-30的丰度高于其在天然硅中的自然丰度。
所述半导体材料包括单质硅或硅化合物。
所述硅化合物包括：氧化硅、氮化硅、碳化硅或锗硅。
一种硅同位素Si-30在抗中高能中子辐射半导体器件的应用。
所述硅同位素Si-30的丰度高于其在天然硅中的自然丰度。
所述半导体器件结构中的基板以及位于所述基板上的至少一层介质层的材料为所述硅同位素Si-30。
所述半导体器件为pn结二极管、金属半导体、半导体异质结、金属-氧化物-半导体场效应管、双极晶体管、结型场效应晶体管、光电二极管、激光二极管和半导体功率器件中的任意一种。
本发明相比于现有技术的优点：
使用硅同位素Si-30为半导体材料，在处于能量范围为1eV~10MeV的中子源辐照下，其发生硅原子的离位数DPA较天然硅材料最高可降低约35%，可以有效提升抗中高能中子辐照能力。因此，用硅同位素Si-30作为半导体材料，可应用于诸如外太空探索或核事故应急环境下的主要由中能与高能中子构成的强中子辐照场，实现半导体材料的辐射加固，增强半导体器件的抗中高能中子辐照能力以及延长基于该材料的器件使用寿命，避免集成电路受损出现功能降级甚至失效。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做详细描述。
实施例
对硅同位素Si-30以及天然硅的中高能中子平均比释动能系数进行计算，给出了硅同位素Si-30以及天然硅分别在中能中子和高能中子能群内的中子平均比释动能系数，如表1所示，从表1可以看出硅同位素Si-30的中子辐照比释动能系数无论是处于中能中子能群还是高能中子能群下数值都是最低的，因此说明硅同位素Si-30是具有较为明显地抗中高能中子辐照优势的。
表1 硅同位素Si-30和天然硅处于中高能中子辐射中的平均比释动能系数比较
由于同位素只参与核反应过程，并不会影响化学反应过程，硅及硅化合物材料的生长、制备和其半导体电学特性均是由其核外电子决定的，故本质还是化学反应过程，因此使用硅同位素Si-30作为半导体材料不会对其半导体性能有明显地改变。
对于处于中、高能中子辐照场下的硅基半导体材料最主要的辐照损伤效应是由非电离辐照损伤（NIEL）引起的，因此主要的核反应为中子对硅原子发生弹性散射或非弹性散射从而使硅原子获得动能形成初始离位原子PKA（即因入射粒子的碰撞而获得大于其离位阈能Ed的能量从而产生离位现象的硅原子）继而引发级联碰撞使更多硅原子离位，这一过程可用原子离位数DPA（即在给定注量下每个原子平均的离位次数）来定量描述并且用DPA数值的大小来比较其辐照损伤程度。这种离位辐照损伤会使正常硅晶格位置形成间隙，导致各种类型的缺陷，破坏晶格的正常周期性势场并给材料的禁带中引入缺陷能级，使得载流子浓度、寿命、迁移率发生退化，最终造成材料和器件的失效。
原子离位数DPA正比于其获得的比释动能（即在某种物质的一个适当小的体积元内，由间接致电离粒子释放的全部带电粒子的初始动能之和除以该体积元内物质的质量所得的商），而比释动能系数为一个原子在单位粒子注量下的比释动能。因此对硅基半导体材料而言，提高具有低中子辐照比释动能系数的稳定硅同位素原子的丰度就能够有效降低由中高能中子辐射引起的辐照损伤效应。
本发明提出硅同位素Si-30在抗中高能中子辐射半导体材料或半导体器件的应用，硅同位素Si-30的丰度高于其在天然硅中的自然丰度。这是因为从表1中所示的硅同位素Si-30的中高能中子比释动能系数显著低于天然硅，因此对应到硅基半导体材料上而言其原子离位数DPA也会相应降低，这样就达到了增强其抗中高能中子辐照性能的目的。
结合以上描述可知，相对于现有技术，本发明能有效提高其半导体器件抗中高能中子辐射性能，可应用于诸如外太空探索或核事故应急环境下的主要由中能与高能中子构成的强中子辐照场，以实现硅基半导体材料的辐射加固，增强半导体器件的抗中高能中子辐照能力以及延长基于该材料的器件使用寿命，避免集成电路受损出现功能降级甚至失效，具有较好的应用前景。
本发明还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上述所揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。
Claims (8)
1.一种硅同位素Si-30在抗中高能中子辐射半导体材料的应用。
2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述硅同位素Si-30的丰度高于其在天然硅中的自然丰度。
3.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述半导体材料包括单质硅或硅化合物。
4.根据权利要求3所述的应用，其特征在于，所述硅化合物包括：氧化硅、氮化硅、碳化硅或锗硅。
5.一种硅同位素Si-30在抗中高能中子辐射半导体器件的应用。
6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，所述硅同位素Si-30的丰度高于其在天然硅中的自然丰度。
7.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，所述半导体器件结构中的基板以及位于所述基板上的至少一层介质层的材料为所述硅同位素Si-30。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，所述半导体器件为pn结二极管、金属半导体、半导体异质结、金属-氧化物-半导体场效应管、双极晶体管、结型场效应晶体管、光电二极管、激光二极管和半导体功率器件中的任意一种。
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