一种基于带电粒子辐照产生级联及点缺陷的方法与流程

本发明涉及空间环境效应领域，具体涉及基于带电粒子辐照产生级联及点缺陷的技术。

背景技术：

近年来，我国航空航天事业发展迅速，越来越多的材料和器件要被用到空间环境中。在高能带电粒子作用下，材料和器件受到辐射损伤会致使其性能退化。因此，研究材料和器件的辐射损伤缺陷形成及演化机理十分必要。

辐射损伤使靶材内原子脱离正常晶格位置，从而产生间隙原子和空位的损伤。除了这些单独的缺陷之外，空位和空位之间、间隙原子和空位之间、以及间隙原子和间隙原子之间都可能产生更多种类复杂的位移复合稳定缺陷。诸如，电子器件内常见的氧空位缺陷(VO)、双空位缺陷(V₂)和磷空位缺陷(VP)等。这些缺陷均为典型的点缺陷。然而，当入射粒子在单位时间内产生的间隙原子和空位对等点缺陷数量较多时，就会使得缺陷状况由点缺陷向级联缺陷转变。此时，由于数量较多，这些空位、间隙原子等点缺陷团聚到一起的概率就会增加，进而形成稳定的级联缺陷，诸如V₂*缺陷、V₃缺陷和V₄缺陷等。

点缺陷和级联缺陷对材料和器件性能的影响不同。在空间环境条件下，由于电子和质子为连续能谱，会导致点缺陷和级联缺陷共存的情况。因此，在地面模拟试验时，如果能够寻找到一种合适的方法，使得在带电粒子辐照条件下，材料和器件中仅产生点缺陷，或同时产生点缺陷和级联缺陷，将对材料和器件位移损伤效应研究产生重大的意义。

技术实现要素：

本发明的目的是为了满足对位移损伤效应的研究需求，从而提供一种基于带电粒子辐照产生级联及点缺陷的方法。

本发明所述的一种基于带电粒子辐照产生级联及点缺陷的方法，该方法包括以下步骤：

选取带电粒子；

计算带电粒子所产生的单位时间位移损伤吸收剂量D；

根据计算D'(E)，D'(E)为一个能量为E的带电粒子所产生的位移损伤吸收剂量，为注量率；

选取D'(E)大于位移缺陷产生阈值的有效带电粒子；

在有效带电粒子中选取D小于点缺陷阈值的带电粒子作为辐照源，用于产生点缺陷；

在有效带电粒子中选取D大于级联缺陷阈值的带电粒子作为辐照源，用于产生点缺陷和级联缺陷。

优选的是，选取的带电粒子为电子、质子或重离子。

优选的是，采用Geant4或SRIM软件，根据所选取的带电粒子的能量E和注量率计算带电粒子所产生的单位时间位移损伤吸收剂量D。

优选的是，位移缺陷产生阈值为1e-13rad/(1/cm²)。

优选的是，点缺陷阈值为0.1rad/s。

优选的是，级联缺陷阈值为5rad/s。

通过选择合适的带电粒子，可以产生不同类型的位移缺陷，且能够原位检测材料和器件的性能退化及缺陷的演化，达到采用不同类型带电粒子辐照来实现在材料和器件内产生点缺陷和级联缺陷的目的。本发明可应用不同类型带电粒子辐照，不会对材料和器件产生活化，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，并且提高了试验操作人员的安全性，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的应用前景。

本发明适用于产生级联及点缺陷。

附图说明

图1是具体实施方式一所述的半导体中常见的晶体缺陷结构示意图；图中，a为间隙原子，b为空位，c为自间隙原子，d为替换杂质原子，e为杂质原子团聚物，f为空位团聚物；

图2是具体实施方式六中的20MeV Si离子辐照条件下N型硅材料位移缺陷DLTS谱图；

图3是具体实施方式六中的50MeV Br离子辐照条件下N型硅材料位移缺陷DLTS谱图；

图4是具体实施方式五中的1.1MeV电子辐照条件下N型硅材料位移缺陷DLTS谱图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于带电粒子辐照产生级联及点缺陷的方法，该方法包括以下步骤：

选取带电粒子；

计算带电粒子所产生的单位时间位移损伤吸收剂量D；

根据计算D'(E)，D'(E)为一个能量为E的带电粒子所产生的位移损伤吸收剂量，为注量率；

选取D'(E)大于位移缺陷产生阈值的有效带电粒子；

在有效带电粒子中选取D小于点缺陷阈值的带电粒子作为辐照源，用于产生点缺陷；

在有效带电粒子中选取D大于级联缺陷阈值的带电粒子作为辐照源，用于产生点缺陷和级联缺陷。

辐照对象包括半导体材料、电子元器件及电子模块。基于单位时间内位移损伤吸收剂量的大小，在确定的注量率即辐照通量条件下，通过选择控制粒子的种类及能量，可在材料和器件内部的产生不同类型的点缺陷和级联缺陷，达到基于带电粒子辐照来控制在材料和器件内部产生缺陷类型的目的。

带电粒子辐照所产生的位移辐射损伤是以间隙原子和空位为主。这两类缺陷常温条件下扩散能力较强。在扩散过程中，这两种缺陷或复合，或形成稳定的位移缺陷。只有稳定的缺陷会对材料和器件的性能产生较大的影响，导致材料和器件可靠性和寿命发生退化。不同类型带电粒子辐照条件下，单位时间内产生的间隙原子和空位对数量不同，进而其复合率不同，导致最终的稳定缺陷状态不同。通过选择合适的带电粒子辐照，可以产生不同类型的位移缺陷，且能够原位检测材料和器件的性能退化及缺陷的演化，达到用不同类型带电粒子辐照来实现材料和器件内产生点缺陷和级联缺陷的目的。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种基于带电粒子辐照产生级联及点缺陷的方法作进一步说明，本实施方式中，选取的带电粒子为电子、质子或重离子。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一或二所述的一种基于带电粒子辐照产生级联及点缺陷的方法作进一步说明，本实施方式中，采用Geant4或SRIM软件，根据所选取的带电粒子的能量E和注量率计算带电粒子所产生的单位时间位移损伤吸收剂量D。

采用Geant4或SRIM软件进行计算，该方式简单，计算结果精确。

Geant4是由CERN(欧洲核子研究委员会)开发的蒙特卡罗应用软件包，主要用于模拟高能粒子在探测器中运输的物理过程，它采用面向对象的C++语言编写，可以构造复杂的探测器几何结构，定制感兴趣的粒子与物理过程模型，并且能够跟踪粒子的过程，显示粒子径迹，处理在输运过程中产生的大量数据。

SRIM是模拟计算粒子在靶材中能量损失和分布的程序组。它采用蒙特卡罗方法，利用计算机模拟跟踪一大批入射粒子的运动。粒子的位置、能量损失以及次级粒子的各种参数都在整个跟踪过程中存储下来，最后得到各种所需物理量的期望值和相应的统计误差。该软件可以选择特定的入射粒子及靶材种类，并可设置合适的加速电压。可以计算不同粒子，以不同的能量，从不同的位置，以不同的角度入射到靶中的情况。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一或二所述的一种基于带电粒子辐照产生级联及点缺陷的方法作进一步说明，本实施方式中，位移缺陷产生阈值为1e-13rad/(1/cm²)。

通过大量的实验得出，带电粒子的D'(E)小于1e-13rad/(1/cm²)时该粒子不会产生位移缺陷，从而位移缺陷产生阈值为1e-13rad/(1/cm²)。

具体实施方式五：结合图4具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一或二所述的一种基于带电粒子辐照产生级联及点缺陷的方法作进一步说明，本实施方式中，点缺陷阈值为0.1rad/s。

通过大量的实验得出，若D小于0.1rad/s，则带电粒子会在材料和器件内产生点缺陷，从而点缺陷阈值为0.1rad/s。

图4给出了1.1MeV电子辐照N型Si晶体材料的试验结果图，其注量率为1e10e/cm²s。1.1MeV电子的D'(E)约为8.0E-13rad/(1/cm²)，所以其D为0.008rad/s。由图4可以看出，1.1MeV电子辐照仅产生了大量的点缺陷，而没有产生级联缺陷。纵坐标的单位为任意单位。

具体实施方式六：结合图2和图3具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一或二所述的一种基于带电粒子辐照产生级联及点缺陷的方法作进一步说明，本实施方式中，级联缺陷阈值为5rad/s。

通过大量的实验得出，若D大于5rad/s，则会在材料和器件内产生级联缺陷，点缺陷和级联缺陷共存，从而级联缺陷阈值为5rad/s。

通过大量的实验得出，D越大，级联缺陷在点缺陷和级联缺陷总数中所占比重越大。

图2给出了20MeV Si离子辐照N型Si晶体材料的试验结果图，其注量率为1e7ions/cm2s。20MeV Si粒子的D'(E)约为7.0E-7rad/(1/cm2)，所以其D为7rad/s。图2的纵坐标的单位为任意单位。

由图2可以看出，20MeV Si离子辐照除产生大量的点缺陷外还产生了V3和V4(E4和E5心)级联缺陷。图3给出了50MeV Br离子辐照N型Si晶体材料的试验结果图，其注量率为1e7ions/cm²s。50MeV Br粒子的D'(E)约为3.0E-6rad/(1/cm²)，所以其D为30rad/s。图3的纵坐标的单位为任意单位。

由图3可以看出，50MeV Br离子辐照除产生大量的点缺陷外还产生了V₃和V₄(E4和E5心)级联缺陷。并且，与图2相比，其级联缺陷的比重更大。从而进一步验证了D越大，级联缺陷所占比重越大。