一种灵敏体积内单粒子翻转效应的模拟计算方法

1.本发明涉及电子元器件应用技术领域，具体而言，涉及一种灵敏体积内单粒子翻转效应的模拟计算方法。


背景技术：

2.空间带电粒子能够对电子元器件的影响，主要是造成电离辐射效应、位移辐射效应和单粒子效应等。而这些辐射效应能够导致电器元器件的异常或失灵，设置最终导致航天器发生灾难性的事故。单粒子翻转效应(single event upset,seu)是单个高能粒子作用于半导体器件，引发器件的逻辑状态发生异常变化。seu是空间辐射造成多种单粒子效应中最常见和最典型的一种。对seu的研究始于上世纪80年代，目前已成为抗辐射加固领域的焦点。
3.宇宙射线中的高能质子入射到卫星和航天器中的半导体能够引起单粒子翻转效应，同时，这些高能质子进入大气层后与氮和氧等原子发生核反应所产生的中子入射到飞机内部也会引起单粒子翻转效应。目前，半导体器件和集成电路已在航空航天领域得到了广泛的应用，并且随着工艺的不断进步，半导体器件特征尺寸已经达到深亚微米乃至纳米级维度，对空间辐射环境更加敏感。因此，包括单粒子翻转效应在内的辐射效应已经成为星用电子元器件可靠性考量的重要组成部分，亟需一种步骤简单，易于操作的，且计算效率较高的灵敏体积内单粒子翻转效应的模拟计算方法。


技术实现要素：

4.本发明解决的问题是如何提高一种步骤简单、易于操作，且计算效率较高的灵敏体积内单粒子翻转效应的模拟计算方法。
5.为解决上述问题中的至少一个方面，本发明提供一种灵敏体积内单粒子翻转效应的模拟计算方法，包括以下步骤：
6.步骤s1、在geant4环境中，通过几何描述标示语言建立半导体器件的结构模型；
7.步骤s2、通过蒙特卡罗方法对辐射粒子入射所述半导体器件的物理过程进行仿真，得出所述半导体器件中的淀积电荷量以及敏感区域电荷收集量数据；
8.步骤s3、通过步骤s2得到的数据计算出所述半导体器件的单粒子翻转效应；
9.步骤s4、根据计算结果对所述半导体器件的抗辐射性能进行评估与优化。
10.优选地，所述步骤s1中，所述几何描述标示语言包括gemat或gdml。
11.优选地，当选择gemat时，需要定义所述结构模型中层的厚度、大小、位置和材料属性，并定义每一层内辐射敏感体的结构、大小、颜色和材料。
12.优选地，当选择gdml时，直接导入相应的gdml文件。
13.优选地，所述步骤s2中，在geant4环境中，设置辐射参数，对所述结构模型中的敏感区域进行辐射，计算得到所述敏感区域的归一化电荷收集量、归一化翻转概率和不同电荷区间收集到的粒子计数结果。
14.优选地，所述辐射参数包括辐射源类型、辐射源能量、辐射源位置、辐射源形状、辐射源入射方向、物理模型、输出结果单位、翻转阈值和输出结果文件类型。
15.优选地，所述辐射源形状包括点、线、面或体。
16.优选地，所述辐射源入射方向包括各向同性或各向异性，当所述辐射源入射方向为各向异性时，可选择不同入射角度分布，并设置入射粒子数。
17.优选地，所述物理模型包括标准电磁模型，所述翻转阈值为0.2fc。
18.优选地，所述步骤s3中，通过以下公式计算单粒子翻转效应截面σ和淀积电荷量的关系曲线：
[0019][0020]
其中，ni为敏感区域中第i段电荷区间上收集到的入射粒子事件数；iq为淀积电荷量所在区间；i
max
为对应仿真得到的最大电荷量所在区间；n为入射粒子的数目；a为入射粒子覆盖的面积。
[0021]
本发明通过在在geant4环境中通过几何描述标示语言构建半导体器件的结构模型，再通过蒙特卡罗方法对采用不同类型、能量和分布的辐射源粒子入射半导体器件的物理过程进行仿真模拟，从而得到半导体器件中淀积电荷和敏感区域电荷收集量，进而通过计算方式模拟出半导体器件的单粒子翻转效应；本发明提供的灵敏体积内单粒子翻转效应的模拟计算方法提供了一种基于geant4工具模拟半导体器件及电路单粒子翻转效应的方法，能够通过辐射源粒子入射半导体器件时直接电离和核反应过程中对器件敏感区域中电荷收集量的影响来分析单粒子翻转效应，该方法步骤简单、易于操作，且计算效率较高，对粒子入射器件过程中的辐射屏蔽分析具有重要意义。
附图说明
[0022]
图1为本发明实施例中灵敏体积内单粒子翻转效应的模拟计算方法的流程图；
[0023]
图2为本发明实施例中si层状结构模型的透明视图；
[0024]
图3为本发明实施例中粒子辐射si层状结构模型的粒子径迹图；
[0025]
图4为本发明实施例中收集电荷归一化数据随深度变化曲线图；
[0026]
图5为本发明实施例中翻转率归一化数随深度变化曲线图；
[0027]
图6为本发明实施例中敏感结构的结构图；
[0028]
图7为本发明实施例中粒子辐射敏感结构的粒子径迹图；
[0029]
图8为本发明实施例中粒子事件计数与淀积电荷的关系曲线图；
[0030]
图9为本发明实施例中seu截面和淀积电荷量的关系曲线图。
具体实施方式
[0031]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面对本发明的具体实施例做详细的说明。
[0032]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例中的特征可以相互组合。术语“包含”、“包括”、“含有”、“具有”的含义是非限制性的，即可加入不影响结果的其它步骤和其它成分。以上术语涵盖术语“由
……
组成”和“基本上由
……
组成”。如无特殊说明的，材
料、设备、试剂均为市售。
[0033]
粒子入射到半导体器件中时，能够与核相互作用产生次级带电粒子核反冲击核，且其电离产生的电子空穴对被器件灵敏结所收集，如果被收集的电荷大于单元状态翻转所需要的临界电荷，就会引起单粒子翻转效应(seu)。
[0034]
本发明实施例提供一种灵敏体积内单粒子翻转效应的模拟计算方法，如图1所示，包括以下步骤：
[0035]
步骤s1、在geant4环境中，通过几何描述标示语言建立半导体器件的结构模型；
[0036]
步骤s2、通过蒙特卡罗方法对辐射粒子入射所述半导体器件的物理过程进行仿真，得出半导体器件中的淀积电荷量以及敏感区域电荷收集量数据；
[0037]
步骤s3、通过步骤s2得到的数据计算出半导体器件的单粒子翻转效应；
[0038]
步骤s4、根据计算结果对半导体器件的抗辐射性能进行评估与优化。
[0039]
其中，geant4是由欧洲核子研究组织(cern)基于c++面向对象技术开发的蒙特卡罗应用软件包，能够用于模拟粒子在物质输运的物理过程。
[0040]
其中，步骤s1中，可选择gemat或gdml建立半导体器件的结构模型，当选择gemat时，需要定义所述结构模型中层的厚度、大小、位置和材料属性，并定义每一层内辐射敏感体的结构、大小、颜色和材料；当选择gdml时，直接导入相应的gdml文件。
[0041]
步骤s2中，在geant4环境中，设置辐射参数，对结构模型中的敏感区域进行辐射，计算得到敏感区域的归一化电荷收集量、归一化翻转概率和不同电荷区间收集到的粒子计数结果。也就是说，半导体器件的淀积电荷量以及敏感区域电荷收集量数据通过敏感区域的归一化电荷收集量、归一化翻转概率和不同电荷区间收集到的粒子计数结果来体现。
[0042]
具体地，辐射参数包括辐射源类型、辐射源能量、辐射源位置、辐射源形状、辐射源入射方向、物理模型、输出结果单位、翻转阈值和输出结果文件类型。其中，辐射源包括质子、电子等空间离子，当为重离子时，需要设置原子序数核原子质量确定辐射源类型；辐射源形状包括点、线、面或体；辐射源入射方向包括各向同性或各向异性，且当辐射源入射方向为各向异性时，可选择不同入射角度分布，并设置入射粒子数；根据辐射源类型和能量范围设置物理模型，默认设置为标准电磁模型；输出结果单位设置为fc；翻转阈值默认设置为0.2fc，并设置不同类型辐射源的截断阈值。
[0043]
经过模拟仿真之后，得到敏感区域的归一化电荷收集量、归一化翻转概率和不同电荷区间收集到的粒子计数结果，用于后续计算。
[0044]
步骤s3中，将步骤s2计算得到的数据，通过下述公式计算单粒子翻转效应截面σ和淀积电荷量的关系曲线：
[0045][0046]
其中，ni为敏感区域中第i段电荷区间上收集到的入射粒子事件数；iq为淀积电荷量所在区间；i
max
为对应仿真得到的最大电荷量所在区间；n为入射粒子的数目；a为入射粒子覆盖的面积。也就是说，通过计算得到的单粒子翻转效应截面σ来评价半导体器件的单粒子翻转效应。
[0047]
下面结合具体实施例介绍灵敏体积内单粒子翻转效应的模拟计算方法：
[0048]
实施例1
[0049]
1.1、在geant4环境中，通过gdml几何结构语言建立si层状结构模型，其中层厚为10μm，面积为0.2μm
×
0.2μm，共包括13层，构建得到的结构模型如图2所示；
[0050]
1.2、在geant4环境中，选取单一能量为3.5mev的质子，以0.2μm
×
0.2μm面源形式沿z轴方向入射上述si层状结构模型，其中，物理模型和翻转阈值均为设置为默认状态，即物理模型为标准电磁模型，翻转阈值为0.2fc，入射后的粒子径迹如图3所示；
[0051]
1.3、根据步骤1.2的模拟计算结果分析得到收集电荷归一化数据随深度变化曲线以及翻转率归一化数据随深度变化曲线，结果分别如图4和图5所示；
[0052]
1.4、根据步骤1.3的结果对si层状结构的抗辐射性能进行评估；
[0053]
从图3可以看出，入射粒子在si层状结构中的入射分布和粒子径迹；
[0054]
从图4可以看出，入射粒子在si层状结构中的归一化电荷淀积量随深度的分布，随着入射深度的增加，其电荷淀积量也越大。
[0055]
实施例2
[0056]
2.1、在geant4环境中，通过gemat建立si层状结构模型，如图6所示，结构模型包括三层，z轴的方向分别为红色、蓝色和白色，其中红色的体积为1μm
×
5μm
×
6μm，蓝色的体积为2μm
×
6μm
×
6μm，白色的体积为8μm
×
6μm
×
6μm；
[0057]
2.2、在geant4环境中，选取单一能量为100mev的质子作为辐射源，以5μm
×
6μm面源形式沿z轴方向入射10万个质子进入上述si层状结构模型，其中，物理模型和翻转阈值均设置为默认状态，即物理模型为标准电磁模型，翻转阈值为0.2fc，入射后的粒子径迹如图7所示，经过模拟仿真之后，得到敏感区域的归一化电荷收集量、归一化翻转概率和不同电荷区间收集到的粒子计数结果；
[0058]
2.3、将蓝色区域作为敏感区域，得到不同电荷区间收集到的粒子计数结果，并得到粒子事件计数与淀积电荷的关系曲线，如图8所示；
[0059]
从图8可以看出，针对敏感部位输出不同电荷区间收集到的粒子技术，经过能量为20mev的质子在器件敏感区照射后，大多数入射质子淀积的电荷量在0.1-0.2fc之间。
[0060]
2.4、根据上述结果通过下述公式计算单粒子翻转效应截面σ和淀积电荷量的关系曲线：
[0061][0062]
其中，ni为敏感区域中第i段电荷区间上收集到的入射粒子事件数；iq为淀积电荷量所在区间；i
max
为对应仿真得到的最大电荷量所在区间；n为入射粒子的数目；a为入射粒子覆盖的面积；
[0063]
得到的曲线如图9所示，从图9可以看出，能量为20mev质子入射si层状结构后seu截面与淀积电荷量的关系，基于此数据，能够很好地评估质子入射si层状结构后造成地单粒子翻转效应。
[0064]
虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。