中子-γ 辐照对SiO2/Si位移损伤模拟研究

摘要

核技术和航空航天技术的发展对电子学系统在辐射环境中的可靠性提出了更高的要求，以 Si为衬底的集成电路作为电子控制系统最核心的部分，确保其在辐射环境中仍能正常工作是任务成败的关键。辐射环境下的中子和γ射线作为电中性粒子穿透力极强，会在 Si基器件中引入大量损伤造成性能退化甚至电路功能失效，对其内部物理机理的研究具有重要意义。
　　本文以中子和γ射线作为辐射源，采用CERN提供技术支持的蒙特卡罗软件Geant4模拟研究了中子和γ射线入射Si/SiO2材料造成位移损伤的微观机制。通过物理模型设计，利用Geant4强大的数据库，分别对尺寸在厘米量级的Si探测器和尺寸在纳米量级的Si、SiO2、SOI探测器入射单一能量或连续能量的中子或γ射线，模拟研究了粒子在探测器中的输运过程及次级粒子的数量、能谱、动量及分布等，为后续研究奠定了基础。
　　通过对不同模型的仿真结果和数据处理分析，研究表明中子在 Si材料中输运时总的反应截面来自于弹性散射截面，非弹性散射截面、辐射俘获截面和裂变截面之和，不同能量中子反应截面不同；中子在Si材料中输运产生Si原子PKA的过程主要是弹性散射造成，散射过程中以低能传输事件为主，PKA数量峰值在40keV左右，随着能量的增大 PKA数量不断减小；γ射线作用中主要产生大量次级电子，次级电子数量和能量都很大，γ粒子本身不会造成格点原子离位，但是高能的电子能够产生PKA，产生PKA的数量较相同条件下中子产生PKA数量不在同一个数量级。
　　对于尺寸在厘米量级的Si探测器，Si原子PKA反冲角分布在0~π之间，大部分位于0~π/2范围内，极少数反冲角大于π/2的PKA是由于中子在探测器中二次碰撞产生；中子在实际纳米量级探测器中输运时几乎全部直接穿透探测器；通过引入截面偏倚因子研究中子在纳米尺度 Si/SiO2材料中的输运过程，Si原子 PKA反冲角分布在0~π/2之间，全部发生小角度散射，输运时中子仅发生一次相互作用，产生的PKA在探测器中均匀分布，次级粒子包括γ粒子、α粒子、质子、中子、少量电子、Al、Mg和其它重核等，在SiO2中还会产生大量O原子PKA和一定数量N和C原子，PKA和所有这些次级粒子是后续造成电离损伤和位移损伤的基本来源。
　　对中子入射SOI结构探测器仿真结果表明，中子在栅氧层中产生的O原子PKA数量大于Si，所有PKA向前散射并在栅氧层中均匀分布，在栅氧层中的电子数量极少，可认为基本不引入电离损伤；在埋氧层中产生的Si和O原子PKA数量远大于栅氧层，但能量分布二者相同；次级带电粒子反冲角以90度为中心在0~π之间呈高斯分布，各种同位素反冲角几乎全部小于90度；次级粒子中高能的质子、α粒子、部分重核的能量范围较大，最大值达到十几MeV，是位移损伤的重要来源。无论是PKA、各种同位素原子，还是本身带电的粒子，在后续的输运过程中都是以离子形式在材料中输运，因此PKA在发生级联碰撞造成位移损伤的同时会产生电子空穴对，造成电离损伤。

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第一章 绪论

1.1中子和γ 射线辐照概述

1.2国内外研究现状

1.3论文研究的意义

1.4本文主要研究内容

1.5本章小结

第二章 辐射环境及辐照损伤理论

2.1辐射环境概述

2.2辐照效应

2.3辐射损伤物理机制

2.4本章小结

第三章 中子-γ辐照Geant4下的物理建模和程序设计

3.1仿真软件Geant4简介及内核原理

3.2中子-γ 辐照的物理建模和程序设计

3.3本章小结

第四章 中子-γ辐照SiO2/Si材料模拟仿真及分析

4.2中子-γ 辐照Si材料仿真结果及分析

4.3中子辐照SiO2材料仿真结果及分析

4.4中子辐照SOI材料仿真结果及分析

4.5本章小结

第五章 总结与展望

5.1本文总结

5.2未来展望

参考文献

致谢

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