化合物器件不同能量质子位移损伤因子与非电离能损相关性研究

Compound semiconductor device has a unique photo-electric conversion performance. It has become a key device on spacecraft. Due to the displacement damage effect caused by high energy proton in space, the performance of compound semiconductor device will be degraded. Protons in space are continuous energy spectrum. The energy is range of 0.1 ~ 400MeV. The amount of displacement damage on device produced by different energy protons is not the same. In order to perform equivalent evaluating the displacement damage caused by continuous spectrum of protons, it is need to build the relationships of displacement damage caused by different energy proton. The amount of displacement damage on semiconductor material caused by proton is characterize by non-ionizing energy loss. The level of performance degradation on semiconductor device caused by proton is characterized by displacement damage factor. For the emerging compound semiconductor devices, the non- ionizing energy loss calculation model is lack of study. The correlation between non- ionizing energy loss and device displacement damage factor is lack of research. The typical GaAs, HgCdTe devices are chosen as samples. The process of proton collision target lattice atom producing displacement damage is carefully analyzed. A variety ways of proton energy transfer are studied. The model to calculate non-ionizing energy loss of material using analytical method and Monte Carlo method was modified. The experiment of compounds devices irradiated by proton is performed. The device displacement damage factor is measured and analyzed on different energy proton irradiation. The correlation of non-ionizing energy loss and device displacement damage factor as a function of proton energy is established.

新型化合物器件具有极高的光电信号探测和转换性能，已成为航天器选用的关键器件。在空间环境中，高能质子产生的位移损伤效应会引起器件性能退化，甚至功能失效。空间质子能量范围为0.1~400MeV。不同能量质子产生位移损伤大小不同。用非电离能损(NIEL)表征质子产生位移损伤水平，用位移损伤因子表征位移损伤引起器件参数退化大小。对化合物器件进行空间质子位移损伤等效评估，需要不同能量质子非电离能损与器件位移损伤因子的函数关系。针对新型化合物器件的非电离能损计算模型不完善和非电离能损与器件位移损伤因子的相关性研究不足，以GaAs、HgCdTe等化合物器件为对象，分析质子产生位移损伤过程，考虑质子能量传输和转换的各种方式，借助解析法和蒙特卡罗方法，对化合物器件非电离能损计算模型进行补充完善。进行不同能量质子辐照试验，分析研究器件位移损伤因子随质子能量的变化情况。基于改进的非电离能损计算模型和位移损伤因子试验结果，研究建立不同能量质子非电离能损与器件位移损伤因子的函数关系。

针对化合物器件不同能量质子位移损伤规律、机理和等效评估问题，项目执行期间开展了模拟仿真、辐照试验、理论分析等工作。.改进了非电离能损仿真模型。计算得到的能量范围在1MeV到400MeV的质子在GaAs中的NIEL数据。仿真结果显示，入射质子能量在1MeV到10MeV之间时，NIEL主要通过入射质子与材料原子通过库伦散射作用沉积。当入射质子能量达到20MeV以上，核反应产物及级联碰撞的次级产物在材料中沉积的非电离能为主，且呈现一个大致不变的趋势。.完成质子辐照试验。试验结果表明，GaAs器件的退化与质子能量有关。在50 MeV至190 MeV能量范围内，高能质子引起的器件退化小于低能质子引起的。试验结果表明，在50MeV到190MeV质子能量范围，等效位移损伤剂量试验方法不适用于GaAs器件。.结合模拟仿真和辐照试验结果，给出了质子在GaAs材料中NIEL归一化曲线与器件性能退化在高质子能量范围出现偏差的原因。在低能区(低于20MeV)，NIEL主要由入射质子直接与材料作用时沉积。随着入射质子能量增加，入射质子与材料直接作用的截面降低，NIEL沉积也不断减少。核反应产物及其产生的反冲原子将逐渐成为NIEL的主要组成部分。虽然反冲原子在材料中沉积的能量一直较高，但其在不同能区的组成不同：高能区的反冲原子主要由核反应产物通过弹性散射得到的次级产物构成，低能区的反冲原子主要由入射质子通过弹性散射产生的次级粒子构成。入射质子能量低于4MeV时，几乎所有的PKA都是通过库伦散射产生。随入射质子能量增加，库伦散射产生的PKA大大减少，与此同时，核反应增强，核反应产生的重粒子拉高了重粒子的PKA平均能量。.提出了基于有效非电离能损的位移损伤等效试验方法。等效位移损伤剂量由质子注量与库伦散射产生的NIEL积分获得。.提出的基于有效非电离能损的位移损伤等效试验方法对准确评估航天用器件位移损伤有指导作用。