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微太中心特种效应与数值模拟团队在辐照损伤协同效应机理研究方面取得重要阶段性进展
信息来源:微太中心作者: 宋宇发布日期: 2019-05-16浏览次数:321次
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2019年3月12日,ACS Applied Electronic Materials期刊在线发表了微太中心特种效应团队与北京计算科学研究中心(计科中心)魏苏淮团队关于PNP双极器件辐照损伤协同减弱效应机理的文章,Mechanism of Synergistic Effects of Neutron- and Gamma-Ray-Radiated PNP Bipolar Transistors,DOI: 10.1021/acsaelm.9b00005。

PNP器件辐照损伤的协同减弱效应(negative synergistic effect)是同时或相继的电离与非电离辐照下,器件损伤小于电离损伤和位移损伤之和的物理现象。该效应与低剂量率增强(ELDRS)效应是认识货架双极芯片低剂量率协同损伤机理、准确预测损伤大小的基础。国际上对协同效应的研究以Vanderbilt University、University of Arizona、RLP Research Corporation和哈工大为主。自2001年来,这些团队的研究均假设协同效应起源于器件中电离辐照诱导电荷与硅中载流子的库伦相互作用(见图1(a))。但十几年来,这种理论假设一直没有得到实验验证。

图1:国际公认协同减弱效应机理与本工作提出机理的对比。(a) Vanderbilt University、University of Arizona、RLP Research Corporation和哈工大等提出的库伦相互作用机制;(b)微太中心与计科中心提出的缺陷退火机制。

微太中心特种效应与数值模拟团队联合计科中心魏苏淮团队系统性地开展了PNP器件的中子-伽马准协同辐照实验研究,获得了PNP器件准协同损伤随伽马射线剂量、剂量率和初始中子注量的变化规律。实验发现准协同损伤对伽马剂量呈“√”(对勾)型曲线,从中分离出两个负的协同效应,一个线性依赖于伽马剂量,其强度与中子注量呈二次方关系;另一个随伽马剂量指数式衰减,其强度表现出强烈的ELDRS效应(见图2上)。理论分析表明,两个负的协同效应分别起源于载流子诱导的缺陷湮灭和质子诱导的缺陷钝化(见图2中)。基于该机理建立了协同损伤的解析物理模型(见图2下),可很好地预测实验规律和特征。本工作首次将协同效应归结于硅中缺陷的退火(见图1(b)),为低剂量率协同损伤预测目标的实现打下坚实基础。

图:2:PNP器件准协同损伤的数据、机制和模型。上:PNP器件准协同损伤的实验数据。损伤对伽马剂量呈“√”型曲线,其线性分量强度正比于中子注量的二次方,指数分量的强度随剂量率降低而增大;中:PNP器件协同减弱效应的物理机制。线性协同效应和指数协同效应分别起源于电荷诱导的缺陷湮灭和质子诱导的缺陷钝化;下:PNP器件协同损伤的解析模型。协同损伤是位移损伤、电离损伤、缺陷湮灭导致的线性协同效应和缺陷钝化导致的指数型协同效应4种效应之和。

微太中心宋宇副研究员为本文的第一作者,计科中心魏苏淮教授和宋宇副研究员为本工作的共同通讯作者。该工作中实验的开展得到了核物理与化学研究所郑春研究员的帮助;该工作得到了“科学挑战专题”(课题号:TZ2016003-1)和国家自然科学基金(课题号:51672023、11634003、U1530401)的资助。

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