輻射電離效應(yīng)的激光模擬方法在半導(dǎo)體器件中的應(yīng)用

彭鑫

摘 要由于需要對(duì)半導(dǎo)體器件進(jìn)行安全快捷以及無(wú)損傷的切割，因此產(chǎn)生了輻射電離效應(yīng)的激光模擬方法，這種方法已經(jīng)得到了國(guó)際上的認(rèn)可。并且跟大型地面輻射模擬裝置相比，激光模式方法具有很多優(yōu)勢(shì)，可作為重要的補(bǔ)充手段來(lái)展開(kāi)針對(duì)性的抗輻射加固設(shè)計(jì)來(lái)對(duì)半導(dǎo)體器件輻射效應(yīng)進(jìn)行深入研究，在理論和應(yīng)用方面都具有重要的意義。本文主要就γ射線、激光和半導(dǎo)體器件之間互相作用產(chǎn)生的電離效應(yīng)做簡(jiǎn)要分析，結(jié)合國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況進(jìn)行了總結(jié)，根據(jù)當(dāng)前研究存在的問(wèn)題展開(kāi)探討，以及對(duì)未來(lái)進(jìn)行的展望。

【關(guān)鍵詞】輻射電離效應(yīng) 激光模擬 半導(dǎo)體器件 應(yīng)用

電離效應(yīng)的產(chǎn)生是由于在應(yīng)用場(chǎng)景中存在的輻射因素與半導(dǎo)體材料之間進(jìn)行的相互作用關(guān)系，會(huì)對(duì)一些與半導(dǎo)體材料相關(guān)的電子器件或者是工作系統(tǒng)產(chǎn)生巨大的影響，甚至是發(fā)生失效并且無(wú)法恢復(fù)的情況。因此，對(duì)與輻射效應(yīng)的影響我們要進(jìn)行深入的認(rèn)識(shí)并且加強(qiáng)抗輻射技術(shù)的研究。

在這之前，人們進(jìn)行模擬輻射環(huán)境的裝置主要是一些大型的地面裝置，常見(jiàn)的例如重離子和電子直線加速器等等來(lái)進(jìn)行對(duì)輻射效應(yīng)的研究，并且獲得了一定的成果。但是這些裝置都存在著一些缺點(diǎn)，比如對(duì)測(cè)量的范圍有限制和不便于對(duì)實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)等等。對(duì)于測(cè)量出的信息也不準(zhǔn)確以及會(huì)對(duì)被測(cè)器件產(chǎn)生損壞，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)人員無(wú)法在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行安全方便的實(shí)驗(yàn)研究。

本文主要以激光模擬半導(dǎo)體器件γ射線輻射電離效應(yīng)為重點(diǎn)，對(duì)激光模擬輻射電離效應(yīng)中存在的問(wèn)題進(jìn)行探討。

1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀與進(jìn)展

我國(guó)是在21世紀(jì)初才開(kāi)始對(duì)激光模擬輻射電離效應(yīng)進(jìn)行關(guān)注，并且研究目標(biāo)大多是針對(duì)單粒子效應(yīng)的，其中包括了西北核技術(shù)研究所和中科院空間中心、中科院微電子所以及哈爾濱工業(yè)大學(xué)等。這些單位搭建激光模擬單粒子效應(yīng)系統(tǒng)的方式主要是通過(guò)自主研發(fā)或者是從國(guó)外進(jìn)行引進(jìn)，并且對(duì)半導(dǎo)體器件等單粒子效應(yīng)定量能進(jìn)行一定的評(píng)估工作。但是目前國(guó)內(nèi)與國(guó)外取得成就的最大差距在于還沒(méi)有公開(kāi)發(fā)表的激光模擬劑量率效應(yīng)方面的研究。

國(guó)內(nèi)外暫且都無(wú)沒(méi)有公開(kāi)文獻(xiàn)進(jìn)行關(guān)于激光模擬半導(dǎo)體器件中總劑量效應(yīng)的報(bào)道。但是根據(jù)美國(guó)SNL的文獻(xiàn)中我們可以知道，它對(duì)輻射場(chǎng)景中產(chǎn)生的低劑量率下的總劑量效應(yīng)是非常重視的，并且一直在進(jìn)行與其相關(guān)的研究。

總的來(lái)說(shuō)，對(duì)激光模擬半導(dǎo)體器件輻射電離效應(yīng)的研究，在很多實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中都得到了應(yīng)用和發(fā)展。但這其中還存在的許多我們還沒(méi)有弄明白的專業(yè)性問(wèn)題，需要我們從實(shí)踐中繼續(xù)探究，對(duì)其進(jìn)行完善。隨著新的材料工藝和技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，需要我們對(duì)關(guān)于輻射電離效應(yīng)的研究進(jìn)一步加強(qiáng)來(lái)進(jìn)行有效的技術(shù)進(jìn)步和提升。

2 半導(dǎo)體器件的γ射線輻射效應(yīng)

γ射線與半導(dǎo)體器件相互作用時(shí)引發(fā)的輻射電離效應(yīng)主要包括以下幾類：第一種是瞬時(shí)脈沖γ射線電離半導(dǎo)體器件產(chǎn)生電子-空穴對(duì)的現(xiàn)象，被稱為瞬時(shí)劑量效應(yīng)對(duì)于該項(xiàng)目，國(guó)際上的研究已經(jīng)建立了可以預(yù)測(cè)高達(dá)1012rad（Si）/s的理論相應(yīng)模型，發(fā)現(xiàn)了非線性電離等現(xiàn)象的發(fā)生，還分析了高緯度的載流子輸運(yùn)過(guò)程；第二種是電離總劑量效應(yīng)，主要是由于長(zhǎng)期輻射的累積效應(yīng)導(dǎo)致器件失效的過(guò)程。一般來(lái)說(shuō)，總劑量效應(yīng)發(fā)生時(shí)間短的原因是因?yàn)檠趸锵葳咫姾砂l(fā)生了損傷，而界面陷阱電荷的損傷會(huì)導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間總劑量輻射效應(yīng)的產(chǎn)生。根據(jù)近年來(lái)國(guó)外的研究發(fā)現(xiàn)，雙極型器和CMOS器件的輻射損傷在長(zhǎng)期低劑量率的總劑量輻照下發(fā)生了明顯的加強(qiáng)。

這兩種輻射效應(yīng)產(chǎn)生的效果都會(huì)對(duì)半導(dǎo)體器件和系統(tǒng)性能發(fā)生退化或者邏輯錯(cuò)誤的現(xiàn)象產(chǎn)生影響，甚至?xí)l(fā)生損壞后無(wú)法修復(fù)的情況發(fā)生，因此，在可能會(huì)發(fā)生這種輻射的場(chǎng)景中，研究人員必須要通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證來(lái)進(jìn)行有效的加固措施。

3 輻射效應(yīng)激光模擬存在的主要問(wèn)題和研究方法

由于激光與半導(dǎo)體相互作用的原理和γ射線與半導(dǎo)體的作用原理之間的不同會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)?zāi)M效果的呈現(xiàn)有一定的適用范圍和具有一定的差別。

對(duì)于產(chǎn)生的瞬時(shí)劑量率效應(yīng)，存在的差別主要是：

（1）γ 射線具有的高能量和較強(qiáng)的穿透力，在半導(dǎo)體器件和系統(tǒng)中會(huì)產(chǎn)生在各個(gè)方向上基本一致的電離效果，而半導(dǎo)體是根據(jù)光子能量導(dǎo)致的對(duì)光的吸收系數(shù)強(qiáng)烈，影響模擬實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確度的原因一般是半導(dǎo)體材料對(duì)光的吸收而產(chǎn)生的電離不均勻的情況；

（2）器件中摻雜的類型和濃度對(duì)半導(dǎo)體對(duì)光的吸收系數(shù)和電離能，這也是造成電離不均勻的原因之一；

（3）由于金屬對(duì)激光產(chǎn)生的較高的反射率導(dǎo)致的遮擋效應(yīng)也會(huì)造成電離不均勻；

（4）由于，SiO2，Si3N4等介質(zhì)不能通過(guò)激光能量進(jìn)行完全的電離，因此對(duì)于存在這些介質(zhì)的器件產(chǎn)生不太滿意的模擬實(shí)驗(yàn)效果；

（5）因?yàn)棣蒙渚€可以對(duì)空氣進(jìn)行電離，而激光不能，因此而造成一定的影響；

（6）因?yàn)棣?射線產(chǎn)生的熱載流子具有較高的能量，而激光的光致載流子能力較低；

（7）激光脈沖的形狀和脈寬到和γ射線脈沖很難做到完全相同。

對(duì)激光場(chǎng)在器件內(nèi)的時(shí)間和強(qiáng)度特性以及空間分布的分析是激光模擬輻射電離效應(yīng)中的核心問(wèn)題，并且關(guān)于激光能力參數(shù)相對(duì)應(yīng)的等效劑量相對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建，可以根據(jù)不同因素在半導(dǎo)體器件內(nèi)通過(guò)構(gòu)造和γ輻射場(chǎng)相近的激光場(chǎng)來(lái)進(jìn)行研究。

現(xiàn)下已知的激光模擬輻射劑量率的主要范圍是108 rad（Si）/s～1012 rad（Si）/s。對(duì)于在這個(gè)范圍之外的激光模擬劑量率效應(yīng)研究只有極少數(shù)，因此需要對(duì)激光模擬進(jìn)行更多更精細(xì)的完善措施。

對(duì)于總劑量效應(yīng)來(lái)說(shuō)，在長(zhǎng)期低劑量率下對(duì)半導(dǎo)體器件總劑量效應(yīng)進(jìn)行激光模擬實(shí)驗(yàn)主要會(huì)產(chǎn)生以下問(wèn)題：

（1）激光能量與輻射劑量率的線性對(duì)應(yīng)關(guān)系下限具有的不確定性；

（2）一般需要較長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)對(duì)總劑量效應(yīng)的產(chǎn)生進(jìn)行研究，而很難有較長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的模擬實(shí)驗(yàn)探究，因此還不能驗(yàn)證是否能夠提高激光能力來(lái)進(jìn)行有效的實(shí)驗(yàn)加速；

（3）因?yàn)樵谠摥h(huán)境下發(fā)生實(shí)驗(yàn)效應(yīng)的場(chǎng)所含有無(wú)法被激光進(jìn)行有效電離的SiO2會(huì)使實(shí)驗(yàn)效果的準(zhǔn)確性與實(shí)際情況產(chǎn)生出入，需要我們繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)證明。

4 結(jié)束語(yǔ)

在文中我們主要是就該項(xiàng)研究在我國(guó)的發(fā)展現(xiàn)狀和問(wèn)題做出了簡(jiǎn)單的分析和探究，這是目前在國(guó)際上推崇的研究方向，而我國(guó)在該方面的發(fā)展和研究都還不夠完善，因此，應(yīng)盡快推出相關(guān)的研究，為相關(guān)領(lǐng)域的實(shí)際運(yùn)用提供一定的技術(shù)參考。

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作者單位

湖北省師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院 湖北省黃石市 435002