近地轨道质子和α 粒子入射InP 产生的位移损伤模拟*

白雨蓉 李培 何欢 刘方 李薇 贺朝会

(西安交通大学核科学与技术学院,西安 710049)

磷化铟(InP)材料具有禁带宽度大、电子迁移率高、耐高温、抗辐照等优点,是制备航天器电子器件的优良材料.近地轨道内的质子和α 粒子对近地卫星威胁巨大,其在InP 电子器件中产生的位移损失效应是导致InP 电子器件电学性能下降的主要因素.本文使用蒙特卡罗软件Geant4 研究近地轨道的质子与α 粒子分别经过150 μm 二氧化硅和2.54 mm 铝层屏蔽后,在500/1000/5000 μm InP 材料中产生的非电离能量损失(non-ionizing energy loss,NIEL)、平均非电离损伤能随深度分布以及年总非电离损伤能.研究发现:低能质子射程短且较易发生非电离反应,入射粒子能谱中低能粒子占比越大,材料厚度越小,NIEL 值越大;计算质子和α 粒子年总非电离损伤能,质子的年总非电离损伤能占比达98%,表明质子是近地轨道内产生位移损伤的主要因素;α 粒子年总非电离损伤能占比小,但其在InP 中的NIEL 约为质子的2—10 倍,应关注α 粒子在InP 中产生的单粒子位移损伤效应.本文计算为InP 材料在空间辐射环境的应用提供了参考依据.

1 引言

磷化铟(InP)材料具有带隙大、电子迁移率高、光电转换效率高、耐高温、耐辐射性等优点,被广泛应用于光通信、高频毫米波、光电集成电路、卫星通信、空间太阳能电池等领域[1-3],是制备航天器电子器件首选材料.研究表明空间粒子辐照产生的位移损伤会使InP 器件的电学性能下降[4-6].近地卫星运行轨道高度为400—2000 km,其中质子占比为99.95%,α 粒子占比为0.04%,其他种类重离子占比约为0.01%,α 粒子占比少但可能产生单粒子位移损伤.因此,有必要研究近地轨道内质子和α粒子在不同工况下InP 材料中产生的位移损伤规律,为InP 电子器件在航天环境中的应用提供参考.

国内外对于电子器件位移损伤效应的研究表明,非电离能量损失(non-ionizing energy loss,NIEL)与辐照粒子引起的电学性能损伤因子(如载流子产生寿命损伤因子、粒子损伤因子、普适暗电流损伤因子等)成线性相关[4,7-9].因此NIEL可作为标度,衡量不同种类、能量的辐射粒子在不同材料中产生位移损伤能力的强弱.即NIEL 越大,则辐射粒子在半导体材料中产生位移损伤的能力越强,导致半导体器件的电学性能衰减越多.Yamaguchi等[3]用1—20 MeV 质子入射InP 太阳能电池,发现NIEL与InP 太阳能电池的电学损伤系数呈线性相关.Shatalov等[2]用中子、电子、γ辐照InP/InGaAs HBT,发现InGaAs NIEL 与BC 结饱和电流损伤系数成超线性相关,即部分数据略偏离线性关系,可能原因在于Shatalov等[2]用InGaAs NIEL 代替InP/InGaAs HBT 器件NIEL,导致NIEL 计算不准;Li等[10]研究了3—10 MeV 质子入射InP/InGaAs HBT器件,分别计算了InP 和InGaAs 两种材料的NIEL,发现低能质子NIEL 大,解释了低能质子使InP/InGaAs HBT 电学性能下降更显著的现象,限于模拟技术,仍未计算质子在InP/InGaAs 器件中的NIEL.综上可知,国内外多使用NIEL 方法探究InP电子器件的位移损伤效应,但计算NIEL 方法多为公式推导,只能计算单个材料的NIEL,无法计算不同工况下InP 电子器件的NIEL.同时,NIEL 计算中粒子源多为单能入射,未考虑空间辐射环境中的粒子能谱入射情况.导致NIEL 计算结果略为粗糙,无法详细分析空间辐射环境下InP 电子器件的位移损伤机制.

本文用蒙特卡罗软件Geant4,基于其丰富的物理数据库,搭建NIEL 计算方法[11,12],可模拟近地轨道质子和α 粒子能谱在不同工况下InP 材料中的输运过程.考虑两种常见的应用场景:1)航天器外部太阳能电池,质子和α 粒子经过150 μm SiO2(太阳能电池表面玻璃盖片)后入射InP 材料;2)航天器内部电子器件,质子和α 粒子经过2.54 mm铝层后入射InP 材料.统计两种工况下的NIEL,平均非电离损伤能随深度分布及近地轨道中质子和α 粒子入射500/1000/5000 μm InP 材料的年总非电离损伤能量.研究不同工况和厚度下,近地轨道质子和α 粒子InP 材料中产生的位移损伤机制,为InP 电子器件抗辐射加固设计提供参考.

2 模型构建

2.1 计算公式

NIEL 可用于衡量不同辐射粒子在不同材料中产生位移损伤能力的强弱[8],单位为MeV·cm2/g,计算公式如下:

式中,NA为阿伏伽德罗常数,A为靶原子质量数,E为反冲原子动能,σi(E) 为第i个反冲原子的离位反应截面.Edam(E) 为能量为E的反冲原子在材料中的非电离损伤能,即产生位移损伤的能量,由Akkerman-Robinson-Lindhard 理论修正得到[13,14].Jun等[15]在计算NIEL 时,将反应截面与非电离损伤能的乘积求和简化为

式中,Tdam是平均非电离损伤能,将反冲原子Edam(E) 加和除以 入射粒子数即可得 到,Nv是原子密度,h为靶材料厚度.进一步推导得

式中,ρ为靶材料密度,InP 材料密度取4.56 g/cm3.

2.2 模拟设置

Geant4 是由欧洲核子研究中心(CERN)主导开发[16],是一个以C++为底层语言,以蒙特卡罗方法为基础,模拟粒子在材料中的输运过程的软件.Geant4 功能强大,基于不同物理数据库模型,可以模拟多种能量(250 eV—TeV)、多种粒子(光子、轻子、离子、强子等)与不同材料的相互作用,广泛应用于辐射物理计算领域[5,17,18].

图1 为Geant4 计算的1—300 MeV 质子和α 粒子入射InP 材料的NIEL 值,与文献值一致,说明本文搭建的Geant4 物理模型正确,可以用于NIEL 的计算.关于本文物理模型的验证在之前的工作中[11,12]已有详细描述,此处不再赘述.

图1 1—300 MeV 质子和α 粒子在InP 中的NIEL值(a)质子[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].

图2 为航天器外部InP 太阳能电池工况设置.图2(a)为CRÈME96[20]数据库中的近地轨道质子和α 粒子能谱,由于CREME96 数据库仅提供原始能谱和经铝层屏蔽后的能谱,因此,150 μm SiO2需在Geant4 中设置,如图2(b)所示.

图2 InP 太阳能电池工况模拟设置图 (a)近地轨道内质子和α 粒子能谱;(b) InP 太阳能电池模拟结构图,即500 μm×500 μm 区域源离子入射500/1000/5000 μm InP 材料(深蓝色)经过150 μm SiO2(浅蓝色)后的示意图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).

图3 为航天器内部InP 电子器件工况设置.图3(a)为经过2.54 mm 铝层屏蔽的近地轨道质子和α 粒子能谱,图3(b)则为InP 材料结构.由于InP 电子器件各有不同,模拟某一结构电子器件的位移损伤结果不具有普适性.另一方面,由于InP材料在电子器件中的作用(发射区、基区、基底)不同,其结构尺寸从几微米到几百微米不等.因此,本文选取厚度为500/1000/5000 μm 的InP 材料作为主要研究目标.

图3 航天器内部InP 电子器件工况模拟设置图 (a)近地轨道内经过2.54 mm 铝层屏蔽的质子和α 粒子能谱;(b) InP材料模拟结构图,即500 μm×500 μm 区域源离子入射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.

模拟采用能谱面源入射,探究InP 太阳能电池和InP 电子器件的位移损伤规律时,入射粒子数为106个.计算年总非电离损伤能时,入射粒子数根据实际情况设定,具体设置可见3.3 节.由于在Geant4 程序中对于粒子能量的设置是采用能谱概率取值的方法,为了保证能谱取值的遍历性和数据的可靠性,数据都是经过10 次计算后取平均值得到.

3 结果分析

3.1 InP 太阳能电池位移损伤

本节使用Geant4 模拟经150 μm SiO2屏蔽后的近地轨道质子和α 粒子入射500/1000/5000 μm InP 的输运过程,得到该辐射环境下InP 太阳能电池的位移损伤规律,为空间InP 太阳能电池抗辐射加固设计提供参考依据.

表1 为近地轨道内质子和α 粒子经玻璃盖片屏蔽后在500/1000/5000 μm InP 中的NIEL 汇总表,NIEL 为平均值,离散系数等于标准差除以平均值.离散系数量级为10-2,说明数据离散程度小、统计性好.

表1 近地轨 道质子 及α 粒子经 过150 μm SiO2 后在InP 产生的NIEL 统计表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 数据可知,质子在InP 中产生的NIEL随材料厚度增大而减小,从500—5000 μm 下降幅度大,达65.7%.由(3)式可知,NIEL 值的大小与平均非电离损伤能Tdam有关,单位长度内的Tdam越大,NIEL 值越大.因此分析Tdam随深度分布,可以得到质子NIEL 值随深度大幅下降的原因.

图4 为质子和α 粒子经过150 μm SiO2屏蔽后在5000 μm InP(同时包含了500 和1000 μm 相关信息)中的平均非电离损伤能Tdam随深度分布图.圆点为Tdam,阴影部分为标准差.分析图4(a)可知,入射深度为0—500 μm 时,Tdam随入射深度的增大急剧下降;入射深度为1000—5000 μm 时,Tdam随入射深度的增大平缓下降.原因在于近地轨道内质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,因此大部分低能质子在InP 材料前端(＜ 500 μm)完全沉积,会出现较为剧烈的Tdam随深度分布不均匀现象.而少部分中高能粒子射程远大于材料厚度,在材料中沉积的能量小,出现Tdam在材料后端分布均匀的趋势.最终使Tdam呈现前端过高后端过低的不均匀分布,进而使NIEL 值出现明显下降的情况.由此可知,能谱中粒子能量分布在低能区域的占比越大,NIEL 值随材料厚度增大的减小幅度越大.辐射环境下带电粒子在InP 材料中的NIEL 值的大小需要综合考虑材料厚度和能谱能量分布两个因素的影响.

图4 近地轨道内质子和α 粒子经过150 μm SiO2 屏蔽后入射5000 μm InP 中产生的 Tdam 随深度分布,数值的阴影是通过10 次模拟计算得出的标准偏差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 中产生的NIEL 值,从500—5000 μm 减小幅度为1.9%,远小于质子的NIEL值减小幅度.结合图4(b)可知,能谱中α 粒子能量主要分布在600—5000 MeV/nuc 内,粒子射程远大于5000 μm,在500/1000/5000 μm InP 中的非电离能量沉积为均匀分布,因此其NIEL 值随InP材料厚度变化小.

3.2 航天器内InP 电子器件位移损伤研究

本节使用Geant4 模拟经2.54 mm 铝层屏蔽后的近地轨道辐射粒子入射500/1000/5000 μm InP 的输运过程.表2 为近地轨道内质子和α 粒子经2.54 mm 铝层屏蔽后在500/1000/5000 μm InP中的NIEL 汇总表,离散系数量级也为10-2,说明数据离散程度小、统计性好.分析表2 可知,质子NIEL 随厚度的增大而减小,减小幅度为25%.结合图5(a)分析,经过2.54 mm 铝层屏蔽后的近地轨道内质子在5000 μm InP 中产生的Tdam随深度的增大而线性下降,平均非电离损伤能主要分布在0.08—0.2 keV 内,未出现图4 中质子的Tdam在InP 材料前端急剧下降的现象.原因在于铝层屏蔽后的近地轨道质子主要分布在50—200 MeV,此能量段质子在InP 材料中的射程皆大于5000 μm,不存在大量低能质子在材料前端发生非电离能量沉积的情况,因此Tdam波动变化相较于图4 变化小.

表2 近地轨道质子及α 粒子经过2.54 mm 铝层后在InP 产生的NIEL 统计表Table 2.NIEL of InP induced by proton and α in low Earth orbit after the shielding of 2.54 mm Al.

图5 近地轨道内质子和α粒子经 过2.54 mm 铝层后在5000 μm InP 中产生的 Tdam 随深度分布,数值的阴影是通过10 次模拟计算得出的标准偏差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 中产生的NIEL 值随厚度的增大而减小,减小幅度为2.1%,与表1 中α 粒子的NIEL 值减小幅度1.9%接近.结合图5(b)分析,铝层屏蔽后的近地轨道α 粒子在5000 μm InP 中产生的Tdam随入射深度的增大而下降,但下降幅度较小,损伤能主要分布在0.3—0.33 keV,与图4(b)中Tdam的分布范围接近.原因在于经铝层屏蔽前后的近地轨道α 粒子能谱能量变化小,则两者Tdam分布范围接近.

3.3 年总非电离损伤能

在实际辐射环境中,近地轨道的质子和α 粒子通量不同,通过将质子和α 粒子数目设置为实际年入射量,比较两者在500 μm InP 材料中产生的总非电离损伤能,可以更为直观地体现近地轨道中质子和α 粒子在InP 材料中产生的位移损伤大小.

表3 为不同屏蔽材料下近地轨道的质子和α 粒子在500 μm InP 中产生的总非电离损伤能汇总.占比为质子或α 粒子总非电离损伤能除以两者之和.在近地轨道质子和α 粒子经过150 μm SiO2入射500 μm InP 产生的总非电离损伤能中,质子产生的非电离损伤能占比达98.73%,α 粒子占比仅为1.27%;在近地轨道质子和α 粒子经过2.54 mm铝层后入射500 μm InP 产生的总非电离损伤能中,质子产生的非电离损伤能占比达99.58%,α 粒子占比仅为0.42%.说明近地轨道内InP 材料的位移损伤主要来自于质子辐照.

表3 不同屏蔽材料下近地轨道的质子和α 粒子在500 μm InP 中产生的年总非电离损伤能汇总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 结论

本文使用Geant4 研究近地轨道内质子和α 粒子在不同工况和厚度(500/1000/5000 μm)下InP材料产生的位移损伤,得到如下结果.1)入射粒子的能谱分布和材料厚度,决定NIEL 值大小.能谱中低能粒子占比越大,材料厚度越小,NIEL 值越大.具体原因在于带电粒子在射程末端沉积能量,对于百微米量级材料,低能粒子射程短,在材料前端产生的非电离沉积能量大,高能粒子射程大于材料厚度,在材料中产生的非电离沉积能量少,导致Tdam随入射深度增大而减小,进而使NIEL 值随材料厚度增大而减小,同时说明质子和α 粒子位移损伤严重区域分布在材料前端.2)比较质子和α 粒子在两种工况下的500 μm InP 材料中产生的总非电离损伤能,两种工况下的质子在InP 中产生的总非电离损伤能占比均达98%以上,需重点关注近地轨道中质子在InP 材料中产生的位移损伤效应.3)近地轨道内α 粒子年总非电离损伤能占比小,但在InP 材料中的NIEL 值约为质子的210 倍,需关注近地轨道内α 粒子的单粒子位移损伤效应.本文计算结果可为InP 电子器件在空间辐射环境中的抗辐射加固设计提供参考.