近地軌道質子和α 粒子入射InP 產生的位移損傷模擬*

白雨蓉 李培 何歡 劉方 李薇 賀朝會

(西安交通大學核科學與技術學院,西安 710049)

磷化銦(InP)材料具有禁帶寬度大、電子遷移率高、耐高溫、抗輻照等優點,是制備航天器電子器件的優良材料.近地軌道內的質子和α 粒子對近地衛星威脅巨大,其在InP 電子器件中產生的位移損失效應是導致InP 電子器件電學性能下降的主要因素.本文使用蒙特卡羅軟件Geant4 研究近地軌道的質子與α 粒子分別經過150 μm 二氧化硅和2.54 mm 鋁層屏蔽后,在500/1000/5000 μm InP 材料中產生的非電離能量損失(non-ionizing energy loss,NIEL)、平均非電離損傷能隨深度分布以及年總非電離損傷能.研究發現:低能質子射程短且較易發生非電離反應,入射粒子能譜中低能粒子占比越大,材料厚度越小,NIEL 值越大;計算質子和α 粒子年總非電離損傷能,質子的年總非電離損傷能占比達98%,表明質子是近地軌道內產生位移損傷的主要因素;α 粒子年總非電離損傷能占比小,但其在InP 中的NIEL 約為質子的2—10 倍,應關注α 粒子在InP 中產生的單粒子位移損傷效應.本文計算為InP 材料在空間輻射環境的應用提供了參考依據.

1 引言

磷化銦(InP)材料具有帶隙大、電子遷移率高、光電轉換效率高、耐高溫、耐輻射性等優點,被廣泛應用于光通信、高頻毫米波、光電集成電路、衛星通信、空間太陽能電池等領域[1-3],是制備航天器電子器件首選材料.研究表明空間粒子輻照產生的位移損傷會使InP 器件的電學性能下降[4-6].近地衛星運行軌道高度為400—2000 km,其中質子占比為99.95%,α 粒子占比為0.04%,其他種類重離子占比約為0.01%,α 粒子占比少但可能產生單粒子位移損傷.因此,有必要研究近地軌道內質子和α粒子在不同工況下InP 材料中產生的位移損傷規律,為InP 電子器件在航天環境中的應用提供參考.

國內外對于電子器件位移損傷效應的研究表明,非電離能量損失(non-ionizing energy loss,NIEL)與輻照粒子引起的電學性能損傷因子(如載流子產生壽命損傷因子、粒子損傷因子、普適暗電流損傷因子等)成線性相關[4,7-9].因此NIEL可作為標度,衡量不同種類、能量的輻射粒子在不同材料中產生位移損傷能力的強弱.即NIEL 越大,則輻射粒子在半導體材料中產生位移損傷的能力越強,導致半導體器件的電學性能衰減越多.Yamaguchi等[3]用1—20 MeV 質子入射InP 太陽能電池,發現NIEL與InP 太陽能電池的電學損傷系數呈線性相關.Shatalov等[2]用中子、電子、γ輻照InP/InGaAs HBT,發現InGaAs NIEL 與BC 結飽和電流損傷系數成超線性相關,即部分數據略偏離線性關系,可能原因在于Shatalov等[2]用InGaAs NIEL 代替InP/InGaAs HBT 器件NIEL,導致NIEL 計算不準;Li等[10]研究了3—10 MeV 質子入射InP/InGaAs HBT器件,分別計算了InP 和InGaAs 兩種材料的NIEL,發現低能質子NIEL 大,解釋了低能質子使InP/InGaAs HBT 電學性能下降更顯著的現象,限于模擬技術,仍未計算質子在InP/InGaAs 器件中的NIEL.綜上可知,國內外多使用NIEL 方法探究InP電子器件的位移損傷效應,但計算NIEL 方法多為公式推導,只能計算單個材料的NIEL,無法計算不同工況下InP 電子器件的NIEL.同時,NIEL 計算中粒子源多為單能入射,未考慮空間輻射環境中的粒子能譜入射情況.導致NIEL 計算結果略為粗糙,無法詳細分析空間輻射環境下InP 電子器件的位移損傷機制.

本文用蒙特卡羅軟件Geant4,基于其豐富的物理數據庫,搭建NIEL 計算方法[11,12],可模擬近地軌道質子和α 粒子能譜在不同工況下InP 材料中的輸運過程.考慮兩種常見的應用場景:1)航天器外部太陽能電池,質子和α 粒子經過150 μm SiO2(太陽能電池表面玻璃蓋片)后入射InP 材料;2)航天器內部電子器件,質子和α 粒子經過2.54 mm鋁層后入射InP 材料.統計兩種工況下的NIEL,平均非電離損傷能隨深度分布及近地軌道中質子和α 粒子入射500/1000/5000 μm InP 材料的年總非電離損傷能量.研究不同工況和厚度下,近地軌道質子和α 粒子InP 材料中產生的位移損傷機制,為InP 電子器件抗輻射加固設計提供參考.

2 模型構建

2.1 計算公式

NIEL 可用于衡量不同輻射粒子在不同材料中產生位移損傷能力的強弱[8],單位為MeV·cm2/g,計算公式如下:

式中,NA為阿伏伽德羅常數,A為靶原子質量數,E為反沖原子動能,σi(E) 為第i個反沖原子的離位反應截面.Edam(E) 為能量為E的反沖原子在材料中的非電離損傷能,即產生位移損傷的能量,由Akkerman-Robinson-Lindhard 理論修正得到[13,14].Jun等[15]在計算NIEL 時,將反應截面與非電離損傷能的乘積求和簡化為

式中,Tdam是平均非電離損傷能,將反沖原子Edam(E) 加和除以 入射粒子數即可得 到,Nv是原子密度,h為靶材料厚度.進一步推導得

式中,ρ為靶材料密度,InP 材料密度取4.56 g/cm3.

2.2 模擬設置

Geant4 是由歐洲核子研究中心(CERN)主導開發[16],是一個以C++為底層語言,以蒙特卡羅方法為基礎,模擬粒子在材料中的輸運過程的軟件.Geant4 功能強大,基于不同物理數據庫模型,可以模擬多種能量(250 eV—TeV)、多種粒子(光子、輕子、離子、強子等)與不同材料的相互作用,廣泛應用于輻射物理計算領域[5,17,18].

圖1 為Geant4 計算的1—300 MeV 質子和α 粒子入射InP 材料的NIEL 值,與文獻值一致,說明本文搭建的Geant4 物理模型正確,可以用于NIEL 的計算.關于本文物理模型的驗證在之前的工作中[11,12]已有詳細描述,此處不再贅述.

圖1 1—300 MeV 質子和α 粒子在InP 中的NIEL值(a)質子[15];(b) α 粒子[19]Fig.1.NIEL of 1—300 MeV protons and α in InP materials:(a) Proton [15];(b) α[19].

圖2 為航天器外部InP 太陽能電池工況設置.圖2(a)為CRèME96[20]數據庫中的近地軌道質子和α 粒子能譜,由于CREME96 數據庫僅提供原始能譜和經鋁層屏蔽后的能譜,因此,150 μm SiO2需在Geant4 中設置,如圖2(b)所示.

圖2 InP 太陽能電池工況模擬設置圖 (a)近地軌道內質子和α 粒子能譜;(b) InP 太陽能電池模擬結構圖,即500 μm×500 μm 區域源離子入射500/1000/5000 μm InP 材料(深藍色)經過150 μm SiO2(淺藍色)后的示意圖Fig.2.The simulation settings of InP solar cell:(a) Proton and α energy spectrum in low Earth orbit;(b) simulation structure diagram of InP solar cells,the schematic of 500 μm×500 μm area source ion-incident 500/1000/5000 μm InP materials (deep blue) after 150 μm SiO2 (light blue).

圖3 為航天器內部InP 電子器件工況設置.圖3(a)為經過2.54 mm 鋁層屏蔽的近地軌道質子和α 粒子能譜,圖3(b)則為InP 材料結構.由于InP 電子器件各有不同,模擬某一結構電子器件的位移損傷結果不具有普適性.另一方面,由于InP材料在電子器件中的作用(發射區、基區、基底)不同,其結構尺寸從幾微米到幾百微米不等.因此,本文選取厚度為500/1000/5000 μm 的InP 材料作為主要研究目標.

圖3 航天器內部InP 電子器件工況模擬設置圖 (a)近地軌道內經過2.54 mm 鋁層屏蔽的質子和α 粒子能譜;(b) InP材料模擬結構圖,即500 μm×500 μm 區域源離子入射500/1000/5000 μm InP 材料Fig.3.The simulation settings of InP electronics in spacecraft:(a) Proton and α energy spectrum after the shielding of 2.54 mm Al in low Earth orbit;(b) simulation structure diagram of InP solar cells,the schematic of 500 μm×500 μm area source ion-incident 500/1000/5000 μm InP materials.

模擬采用能譜面源入射,探究InP 太陽能電池和InP 電子器件的位移損傷規律時,入射粒子數為106個.計算年總非電離損傷能時,入射粒子數根據實際情況設定,具體設置可見3.3 節.由于在Geant4 程序中對于粒子能量的設置是采用能譜概率取值的方法,為了保證能譜取值的遍歷性和數據的可靠性,數據都是經過10 次計算后取平均值得到.

3 結果分析

3.1 InP 太陽能電池位移損傷

本節使用Geant4 模擬經150 μm SiO2屏蔽后的近地軌道質子和α 粒子入射500/1000/5000 μm InP 的輸運過程,得到該輻射環境下InP 太陽能電池的位移損傷規律,為空間InP 太陽能電池抗輻射加固設計提供參考依據.

表1 為近地軌道內質子和α 粒子經玻璃蓋片屏蔽后在500/1000/5000 μm InP 中的NIEL 匯總表,NIEL 為平均值,離散系數等于標準差除以平均值.離散系數量級為10-2,說明數據離散程度小、統計性好.

表1 近地軌 道質子 及α 粒子經 過150 μm SiO2 后在InP 產生的NIEL 統計表Table 1.NIEL of InP induced by proton and α in low Earth orbit after the shielding of 150 μm SiO2.

分析表1 數據可知,質子在InP 中產生的NIEL隨材料厚度增大而減小,從500—5000 μm 下降幅度大,達65.7%.由(3)式可知,NIEL 值的大小與平均非電離損傷能Tdam有關,單位長度內的Tdam越大,NIEL 值越大.因此分析Tdam隨深度分布,可以得到質子NIEL 值隨深度大幅下降的原因.

圖4 為質子和α 粒子經過150 μm SiO2屏蔽后在5000 μm InP(同時包含了500 和1000 μm 相關信息)中的平均非電離損傷能Tdam隨深度分布圖.圓點為Tdam,陰影部分為標準差.分析圖4(a)可知,入射深度為0—500 μm 時,Tdam隨入射深度的增大急劇下降;入射深度為1000—5000 μm 時,Tdam隨入射深度的增大平緩下降.原因在于近地軌道內質子能量主要分布在低能(1—10 MeV)部分,其在InP 材料中的射程大部分小于500 μm,因此大部分低能質子在InP 材料前端(＜ 500 μm)完全沉積,會出現較為劇烈的Tdam隨深度分布不均勻現象.而少部分中高能粒子射程遠大于材料厚度,在材料中沉積的能量小,出現Tdam在材料后端分布均勻的趨勢.最終使Tdam呈現前端過高后端過低的不均勻分布,進而使NIEL 值出現明顯下降的情況.由此可知,能譜中粒子能量分布在低能區域的占比越大,NIEL 值隨材料厚度增大的減小幅度越大.輻射環境下帶電粒子在InP 材料中的NIEL 值的大小需要綜合考慮材料厚度和能譜能量分布兩個因素的影響.

圖4 近地軌道內質子和α 粒子經過150 μm SiO2 屏蔽后入射5000 μm InP 中產生的 Tdam 隨深度分布,數值的陰影是通過10 次模擬計算得出的標準偏差Fig.4.The distribution of Tdam with depth of 5000 μm InP materials induced by proton and α in low Earth orbit after the shielding of 150 μm SiO2.The shadow of values is standard deviation which is calculated by ten simulations.

而表1 中α 粒子在InP 中產生的NIEL 值,從500—5000 μm 減小幅度為1.9%,遠小于質子的NIEL值減小幅度.結合圖4(b)可知,能譜中α 粒子能量主要分布在600—5000 MeV/nuc 內,粒子射程遠大于5000 μm,在500/1000/5000 μm InP 中的非電離能量沉積為均勻分布,因此其NIEL 值隨InP材料厚度變化小.

3.2 航天器內InP 電子器件位移損傷研究

本節使用Geant4 模擬經2.54 mm 鋁層屏蔽后的近地軌道輻射粒子入射500/1000/5000 μm InP 的輸運過程.表2 為近地軌道內質子和α 粒子經2.54 mm 鋁層屏蔽后在500/1000/5000 μm InP中的NIEL 匯總表,離散系數量級也為10-2,說明數據離散程度小、統計性好.分析表2 可知,質子NIEL 隨厚度的增大而減小,減小幅度為25%.結合圖5(a)分析,經過2.54 mm 鋁層屏蔽后的近地軌道內質子在5000 μm InP 中產生的Tdam隨深度的增大而線性下降,平均非電離損傷能主要分布在0.08—0.2 keV 內,未出現圖4 中質子的Tdam在InP 材料前端急劇下降的現象.原因在于鋁層屏蔽后的近地軌道質子主要分布在50—200 MeV,此能量段質子在InP 材料中的射程皆大于5000 μm,不存在大量低能質子在材料前端發生非電離能量沉積的情況,因此Tdam波動變化相較于圖4 變化小.

表2 近地軌道質子及α 粒子經過2.54 mm 鋁層后在InP 產生的NIEL 統計表Table 2.NIEL of InP induced by proton and α in low Earth orbit after the shielding of 2.54 mm Al.

圖5 近地軌道內質子和α粒子經 過2.54 mm 鋁層后在5000 μm InP 中產生的 Tdam 隨深度分布,數值的陰影是通過10 次模擬計算得出的標準偏差Fig.5.The distribution of Tdam with depth of 5000 μm InP materials induced by proton and α in low Earth orbit after the shielding of 2.54 mm Al.The shadow of values is standard deviation which is calculated by ten simulations.

表2 中α 粒子在500/1000/5000 μm InP 中產生的NIEL 值隨厚度的增大而減小,減小幅度為2.1%,與表1 中α 粒子的NIEL 值減小幅度1.9%接近.結合圖5(b)分析,鋁層屏蔽后的近地軌道α 粒子在5000 μm InP 中產生的Tdam隨入射深度的增大而下降,但下降幅度較小,損傷能主要分布在0.3—0.33 keV,與圖4(b)中Tdam的分布范圍接近.原因在于經鋁層屏蔽前后的近地軌道α 粒子能譜能量變化小,則兩者Tdam分布范圍接近.

3.3 年總非電離損傷能

在實際輻射環境中,近地軌道的質子和α 粒子通量不同,通過將質子和α 粒子數目設置為實際年入射量,比較兩者在500 μm InP 材料中產生的總非電離損傷能,可以更為直觀地體現近地軌道中質子和α 粒子在InP 材料中產生的位移損傷大小.

表3 為不同屏蔽材料下近地軌道的質子和α 粒子在500 μm InP 中產生的總非電離損傷能匯總.占比為質子或α 粒子總非電離損傷能除以兩者之和.在近地軌道質子和α 粒子經過150 μm SiO2入射500 μm InP 產生的總非電離損傷能中,質子產生的非電離損傷能占比達98.73%,α 粒子占比僅為1.27%;在近地軌道質子和α 粒子經過2.54 mm鋁層后入射500 μm InP 產生的總非電離損傷能中,質子產生的非電離損傷能占比達99.58%,α 粒子占比僅為0.42%.說明近地軌道內InP 材料的位移損傷主要來自于質子輻照.

表3 不同屏蔽材料下近地軌道的質子和α 粒子在500 μm InP 中產生的年總非電離損傷能匯總Table 3.Annual non-ionizing damage energy and percent of proton and α in low Earth orbit after the shielding of 150 μm SiO2 and 2.54 mm Al in 500 μm InP materials.

4 結論

本文使用Geant4 研究近地軌道內質子和α 粒子在不同工況和厚度(500/1000/5000 μm)下InP材料產生的位移損傷,得到如下結果.1)入射粒子的能譜分布和材料厚度,決定NIEL 值大小.能譜中低能粒子占比越大,材料厚度越小,NIEL 值越大.具體原因在于帶電粒子在射程末端沉積能量,對于百微米量級材料,低能粒子射程短,在材料前端產生的非電離沉積能量大,高能粒子射程大于材料厚度,在材料中產生的非電離沉積能量少,導致Tdam隨入射深度增大而減小,進而使NIEL 值隨材料厚度增大而減小,同時說明質子和α 粒子位移損傷嚴重區域分布在材料前端.2)比較質子和α 粒子在兩種工況下的500 μm InP 材料中產生的總非電離損傷能,兩種工況下的質子在InP 中產生的總非電離損傷能占比均達98%以上,需重點關注近地軌道中質子在InP 材料中產生的位移損傷效應.3)近地軌道內α 粒子年總非電離損傷能占比小,但在InP 材料中的NIEL 值約為質子的210 倍,需關注近地軌道內α 粒子的單粒子位移損傷效應.本文計算結果可為InP 電子器件在空間輻射環境中的抗輻射加固設計提供參考.