彭鑫

摘 要由于需要对半导体器件进行安全快捷以及无损伤的切割，因此产生了辐射电离效应的激光模拟方法，这种方法已经得到了国际上的认可。并且跟大型地面辐射模拟装置相比，激光模式方法具有很多优势，可作为重要的补充手段来展开针对性的抗辐射加固设计来对半导体器件辐射效应进行深入研究，在理论和应用方面都具有重要的意义。本文主要就γ射线、激光和半导体器件之间互相作用产生的电离效应做简要分析，结合国内外发展情况进行了总结，根据当前研究存在的问题展开探讨，以及对未来进行的展望。

【关键词】辐射电离效应 激光模拟 半导体器件 应用

电离效应的产生是由于在应用场景中存在的辐射因素与半导体材料之间进行的相互作用关系，会对一些与半导体材料相关的电子器件或者是工作系统产生巨大的影响，甚至是发生失效并且无法恢复的情況。因此，对与辐射效应的影响我们要进行深入的认识并且加强抗辐射技术的研究。

在这之前，人们进行模拟辐射环境的装置主要是一些大型的地面装置，常见的例如重离子和电子直线加速器等等来进行对辐射效应的研究，并且获得了一定的成果。但是这些装置都存在着一些缺点，比如对测量的范围有限制和不便于对实验参数进行调节等等。对于测量出的信息也不准确以及会对被测器件产生损坏，导致实验人员无法在实验中进行安全方便的实验研究。

本文主要以激光模拟半导体器件γ射线辐射电离效应为重点，对激光模拟辐射电离效应中存在的问题进行探讨。

1 国内研究现状与进展

我国是在21世纪初才开始对激光模拟辐射电离效应进行关注，并且研究目标大多是针对单粒子效应的，其中包括了西北核技术研究所和中科院空间中心、中科院微电子所以及哈尔滨工业大学等。这些单位搭建激光模拟单粒子效应系统的方式主要是通过自主研发或者是从国外进行引进，并且对半导体器件等单粒子效应定量能进行一定的评估工作。但是目前国内与国外取得成就的最大差距在于还没有公开发表的激光模拟剂量率效应方面的研究。

国内外暂且都无没有公开文献进行关于激光模拟半导体器件中总剂量效应的报道。但是根据美国SNL的文献中我们可以知道，它对辐射场景中产生的低剂量率下的总剂量效应是非常重视的，并且一直在进行与其相关的研究。

总的来说，对激光模拟半导体器件辐射电离效应的研究，在很多实验项目中都得到了应用和发展。但这其中还存在的许多我们还没有弄明白的专业性问题，需要我们从实践中继续探究，对其进行完善。随着新的材料工艺和技术的不断进步和发展，需要我们对关于辐射电离效应的研究进一步加强来进行有效的技术进步和提升。

2 半导体器件的γ射线辐射效应

γ射线与半导体器件相互作用时引发的辐射电离效应主要包括以下几类：第一种是瞬时脉冲γ射线电离半导体器件产生电子-空穴对的现象，被称为瞬时剂量效应对于该项目，国际上的研究已经建立了可以预测高达1012rad（Si）/s的理论相应模型，发现了非线性电离等现象的发生，还分析了高纬度的载流子输运过程；第二种是电离总剂量效应，主要是由于长期辐射的累积效应导致器件失效的过程。一般来说，总剂量效应发生时间短的原因是因为氧化物陷阱电荷发生了损伤，而界面陷阱电荷的损伤会导致长时间总剂量辐射效应的产生。根据近年来国外的研究发现，双极型器和CMOS器件的辐射损伤在长期低剂量率的总剂量辐照下发生了明显的加强。

这两种辐射效应产生的效果都会对半导体器件和系统性能发生退化或者逻辑错误的现象产生影响，甚至会发生损坏后无法修复的情况发生，因此，在可能会发生这种辐射的场景中，研究人员必须要通过实验验证来进行有效的加固措施。

3 辐射效应激光模拟存在的主要问题和研究方法

由于激光与半导体相互作用的原理和γ射线与半导体的作用原理之间的不同会导致实验模拟效果的呈现有一定的适用范围和具有一定的差别。

对于产生的瞬时剂量率效应，存在的差别主要是：

（1）γ 射线具有的高能量和较强的穿透力，在半导体器件和系统中会产生在各个方向上基本一致的电离效果，而半导体是根据光子能量导致的对光的吸收系数强烈，影响模拟实验准确度的原因一般是半导体材料对光的吸收而产生的电离不均匀的情况；

（2）器件中掺杂的类型和浓度对半导体对光的吸收系数和电离能，这也是造成电离不均匀的原因之一；

（3）由于金属对激光产生的较高的反射率导致的遮挡效应也会造成电离不均匀；

（4）由于，SiO2，Si3N4等介质不能通过激光能量进行完全的电离，因此对于存在这些介质的器件产生不太满意的模拟实验效果；

（5）因为γ射线可以对空气进行电离，而激光不能，因此而造成一定的影响；

（6）因为γ 射线产生的热载流子具有较高的能量，而激光的光致载流子能力较低；

（7）激光脉冲的形状和脉宽到和γ射线脉冲很难做到完全相同。

对激光场在器件内的时间和强度特性以及空间分布的分析是激光模拟辐射电离效应中的核心问题，并且关于激光能力参数相对应的等效剂量相对应的数学模型的构建，可以根据不同因素在半导体器件内通过构造和γ辐射场相近的激光场来进行研究。

现下已知的激光模拟辐射剂量率的主要范围是108 rad（Si）/s～1012 rad（Si）/s。对于在这个范围之外的激光模拟剂量率效应研究只有极少数，因此需要对激光模拟进行更多更精细的完善措施。

对于总剂量效应来说，在长期低剂量率下对半导体器件总剂量效应进行激光模拟实验主要会产生以下问题：

（1）激光能量与辐射剂量率的线性对应关系下限具有的不确定性；

（2）一般需要较长的时间来对总剂量效应的产生进行研究，而很难有较长的时间来进行长时间的模拟实验探究，因此还不能验证是否能够提高激光能力来进行有效的实验加速；

（3）因为在该环境下发生实验效应的场所含有无法被激光进行有效电离的SiO2会使实验效果的准确性与实际情况产生出入，需要我们继续进行实验证明。

4 结束语

在文中我们主要是就该项研究在我国的发展现状和问题做出了简单的分析和探究，这是目前在国际上推崇的研究方向，而我国在该方面的发展和研究都还不够完善，因此，应尽快推出相关的研究，为相关领域的实际运用提供一定的技术参考。

参考文献

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作者单位

湖北省师范大学物理与电子科学学院 湖北省黄石市 435002