本书系统介绍了用于材料位移损伤研究的多尺度模拟方法，包括辐射与材料相互作用模拟方法、分子动力学方法、动力学蒙特卡罗方法、第一性原理方法、器件电学性能模拟方法等，模拟尺寸从原子尺度的10-10m到百纳米，时间从亚皮秒量级到106s，并给出了多尺度模拟方法在硅、砷化镓、碳化硅、氮化镓材料位移损伤研究中的应用，揭示了典型半导体材料的位移损伤机理和规律，在核技术和辐射物理学科的发展、位移损伤效应研究、人才培养等方面具有重要的学术意义和应用价值。 本书可作为辐射物理、核技术、微电子学、空间电子学、电子元器件等领域科研人员的参考书，也可供辐射效应研究、半导体材料应用、宇航电子系统设计等领域的工程技术人员参考。

第1章 绪论
　　工作在空间辐射环境及核动力辐射环境中的电子系统，受到来自周围多种粒子的轰击，产生单粒子效应[1-4]、位移损伤效应[5-9]和总剂量效应[10-12]等，对电子系统的可靠性和稳定性产生巨大威胁。地球赤道上空的范艾仑(van Allen)带具有大量的捕获质子和电子；太阳耀斑爆发时会在瞬时释放大量重离子、粒子、高能质子和电子；银河宇宙射线中的背景辐射包括约90%的质子、10%的粒子，以及极少量的电子、光子和重离子等[13]。这些粒子严重影响航天器中电子元器件和集成电路的正常工作。此外，人类活动对能源与日俱增的需求促进了核动力的发展，核动力环境中的辐射粒子及陆生中子在探测器[14]和图像传感器[9]等器件中引起的位移损伤效应导致它们的电学性能发生退化。因此，充分理解辐射引起电子元器件及电路性能退化的机制，采取相应的措施提高其抗辐射性能，是保证辐射环境下工作的器件和电路可靠运行的关键因素之一。
　　带电粒子、中子等与靶原子相互作用，使其离开正常晶格位置，产生缺陷或缺陷簇，导致半导体器件功能异常的现象称为位移损伤效应。图1-1给出了原子移位形成缺陷示意图。
　　图1-1 原子移位形成缺陷示意图
　　研究表明，位移损伤效应是工作在空间辐射环境中的电子设备性能下降的重要原因之一 [5，6，9，15-18]。当半导体器件受到载能粒子轰击时，粒子与晶格原子发生弹性碰撞，引发晶格原子移位，从而在半导体材料的禁带中引入新的缺陷能级。缺陷能级对电子和空穴具有俘获和发射作用，能够引起器件的电学性能发生改变[5]。单个粒子入射到位移损伤敏感型器件的灵敏体积中时能够引起电学性能发生明显的变化，这种由单个粒子产生的位移损伤引起的器件性能退化效应称为单粒子位移损伤效应[7，9，19]。例如，当单个粒子入射到图像传感器的光电二极管耗尽区时，入射粒子沉积非电离能量导致其径迹周围形成密集的缺陷，这些缺陷将引起光电二极管暗电流的显著增加，使该像元处于常开状态，称为热像素(hot pixel)[9]。这些热像素的存在严重影响图像传感器对弱光信号的探测。
　　位移损伤是跨越多个时间尺度的物理现象，当前关于位移损伤演化过程的研究尚不完善。采用适用于不同时间尺度的计算方法对单粒子位移损伤效应进行研究，并通过适当的方法将各个尺度的模拟衔接起来，对揭示单粒子位移损伤的产生和演化机理，以及进一步认识位移损伤引起的电子元器件的电学性能退化机制具有重要意义。
　　1.1 位移损伤效应
　　近40年来，国际上关于位移损伤效应的研究主要集中于太阳电池、双极型晶体管、GaAs器件、光电二极管、高电子迁移率晶体管(HEMT)、GaN器件和粒子探测器[5]等，先后提出了载流子产生寿命损伤因子 (generation lifetime damage factor)[20]、粒子损伤因子(particle damage factor)[21]、损伤能量损伤因子 (damage energy damage factor)[18，22]和普适暗电流损伤因子 (universal dark current damage factor)[23]等模型，用于描述器件的电学参数变化与入射粒子的非电离能量沉积、注量等参数之间的联系。其中，由Srour等[16]提出的普适暗电流损伤因子模型在分析了42个硅基器件辐照实验结果的基础上，得到了单位通量入射离子引起的载流子产生率增加与非电离能量损失(non-ionizing energy loss，NIEL)呈线性关系的结论，该模型至今仍被广泛用于评估硅基器件的位移损伤效应。此外，研究还发现电子和.射线的 NIEL值较低，引起的暗电流增量较小；质子、中子和重离子的 NIEL值较大，引起的暗电流增量较大。暗电流增量与入射粒子在器件中产生的缺陷形态有关。图1-2给出了暗电流损伤因子(Kdark)与非电离能量损失 (NIEL)的关系。射线和电子的非电离能量损失值较小，它们在半导体器件中产生的缺陷以分散的点缺陷为主；质子、中子和重离子的NIEL值较大，既产生点缺陷又产生缺陷团簇，这种情况下器件性能的退化效应更为严重[5]。
　　图1-2 暗电流损伤因子(Kdark)与非电离能量损失(NIEL)的关系[5]
　　过去认为，MOS器件是单极型器件，器件的工作特性由多数载流子控制，因而少数载流子寿命对器件正常工作性能的影响并不明显。随着 CMOS器件特征尺寸从亚微米发展至超深亚微米及纳米尺度，位移损伤在MOS器件中的位移损伤效应也逐渐凸显。Faruk等[24]对美商安迈有限公司(AMI)0.5μm和台湾积体电路制造股份有限公司(TSMC)0.25μm工艺的 MOSFET进行质子和中子辐照，通过分析辐照前和辐照后晶体管的电流-电压(I-V)特性来比较两种器件的辐照耐受能力。结果表明，这两种工艺下的MOSFET在中子辐照前和辐照后都表现出了漏端饱和电流退化的现象，分析认为，由位移损伤过程引起的缺陷导致载流子迁移率下降是漏端饱和电流退化的主要原因。Gadlage等[25]对90nm工艺体硅静态随机(存取)存储器(SRAM)进行了先中子辐照后重离子辐照的实验，结果表明，当中子注量达到1015cm.2时，进行重离子照射时多位翻转(MBU)截面显著增加，这主要是因为中子辐照后阱区电阻率略有增加，从而引起阱区电势调制，这与改变阱区的离子掺杂浓度效果类似。
　　1.2 单粒子位移损伤效应
　　研究结果表明，在某些低泄漏电流的器件中，单个粒子引起的位移损伤会引起一些电学参数发生明显变化，这些变化并不像电离效应那样迅速恢复到辐照前水平，而是恢复到一定程度后就不再发生变化，且难以恢复到辐照前的水平。这种由单个粒子入射引起的位移损伤导致半导体器件电学性能退化的现象，称为单粒子位移损伤(single particle displacement damage，SPDD)效应[7]。
　　1965年，Gereth等[26]报道了电子和中子在雪崩二极管中引起的位移损伤效应。研究发现，当一个雪崩二极管反偏于击穿区域时，由深能级缺陷发射的一个载流子就足以引起电子雪崩，产生的电压脉冲可以被直接测量。辐照前，雪崩二极管的脉冲频率小于 1Hz；当二极管受到 1015cm.2的电子辐照后，测量的电压脉冲频率达到1.3×104Hz；脉冲频率随着辐照注量的增加而线性增长，是由于电子辐照时二极管中的点缺陷随着辐照注量的增加而增加；当雪崩二极管受到中子辐照时，二极管的脉冲频率随注量的增加非线性增加。经分析，认为这是因为中子入射在二极管中产生缺陷团。缺陷团的存在降低了载流子从缺陷能级发射的势垒，导致载流子产生率提高。单粒子位移损伤效应直至20世纪80年代才引发担忧[25-27]。Srour等[27]研究了14MeV中子辐照电荷耦合器件(charge-coupled device，CCD)阵列的单粒子位移损伤效应，发现像素单元受到中子辐照后，CCD的暗电流增长了两个数量级，暗电流的昀大增量是平均增量的 20倍以上。尽管作者当时认为暗电流的增长幅度与产生的缺陷数目有关，而与缺陷是否成团无关，但随后更多的研究证实了缺陷成团现象能够促进暗电流的增长[24，28，29]。Burke等[30]提出位移损伤引起的电学特性退化程度应与位移损伤缺陷数目呈线性关系的假设，且假设缺陷是否成团并不重要。当这个假设成立时，在CCD中由单粒子位移损伤引起的暗电流增量分布应与反冲核的能量分布成对应关系。然而，Burke等获得的实验结果并非如此，反冲核的昀大能量与平均反冲核能量之比为1.67，暗电流的昀大增量与平均增量之比为 23，极端事件中暗电流增量与暗电流平均增长幅度之比不等于昀大反冲核能量与平均反冲核能量之比。Srour等[17]在随后的研究中解释了上述差异。Srour等认为，耗尽区内的高电场强度引起缺陷能级上的载流子发射率增加，从而导致一些极端损伤事件的发生。Marshall等[22]提出了一个解析模型来预测电荷注入器件(charge injection device，CID)中由位移损伤导致的暗电流增量分布，发现当电场强度高于 105 V？cm.1时，采用不考虑电场增强效应的Shockley-Read-Hall(SRH)复合理论将低估 CID的暗电流增长幅度。 Kuboyama等[31]研究了AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管的单粒子位移损伤效应，观察到晶体管在74MeV Ne、147MeV Ar和315MeV Kr及443MeV Xe离子辐照条件下漏端电流会出现突然增加的现象，漏端电流的平均增长幅度为187μA，测量到的漏电流经过一段时间的恢复后保持稳定，而这个稳定值高于晶体管辐照前的泄漏电流水平。近年来，单粒子位移损伤效应受到了更多关注。 Auden等[7]报道了采用252Cf源辐照 PAD1二极管时观察的SPDD电流台阶的测量结果，图 1-3给出了PAD1二极管受到252Cf源辐照的SPDD效应，展示了辐照过程中观测到的一个单粒子位移损伤电流脉冲，在10.2h时，实时监测的二极管反向电流突然增大，之后迅速下降。单粒子位移损伤事件之后的反向电流值与突变前的反向电流值形成一个电流台阶。室温条件下，电流台阶能够维持在一个稳定水平直至发生下一次单粒子位移损伤事件。
　　图1-3 PAD1二极管受到252Cf源辐照的SPDD效应[7]
　　随后，Raine等[9]报道了中子辐照CMOS图像传感器(CMOS image sensor，CIS)时监测到的光电二极管中的单粒子位移损伤电流。图1-4给出了中子辐照CIS在4个像素单元中引起的单粒子位移损伤电流脉冲。部分发生单粒子位移损伤事件的光电二极管暗电流在室温下难以恢复至辐照前的水平。定义了一个暗电流退火因子来分析 SPDD电流的退火过程，图1-5给出了中子辐照CIS光电二极管引起的SPDD电流的归一化退火因子随时间的变化。CIS的像素单元发生SPDD效应后，突变的暗电流恢复需要较长时间，100s后暗电流仍然在发生缓慢退火。综上所述，关于单粒子位移损伤的实验研究已取得一定成果，但关于单粒子位移损伤的产生及长时间演化行为的模拟研究较少，模拟结果与实验结果对比仍然受到限制。这是因为单一的模拟方法一般仅适用于特定时间和空间尺度的物理现象研究，而位移损伤过程涉及入射粒子与靶原子的碰撞、缺陷的产生与恢复、缺陷迁移和缺陷之间的反应等多个物理过程，跨越多个时间尺度，需要采用多种模拟方法结合，因此研究的难度较大。现阶段对位移损伤的模拟研究仍然集中在各个时间尺度内的*立研究，这些研究结果仅能够在其适用的尺度上对部分物理现象进行解释。
　　图1-4 中子辐照CIS在4个像素单元中引起的单粒子位移损伤电流脉冲[9]
　　图1-5 中子辐照CIS光电二极管引起的SPDD电流的归一化退火因子随时间的变化[9]Tint-积分时间；l-相邻两像素中心的距离
　　1.3 位移损伤的多尺度特点
　　载能粒子入射到靶材料后，主要通过两种形式损失能量：一种是电离能量损失，另一种是非电离能量损失[32]。入射粒子沉积能量并将电子从价带激发到导带，产生电子-空穴对的过程称为电离。非电离能量是指入射粒子导致原子移位和声子产生损失的那部分能量。非电离能量沉积是通过入射粒子及其产生的反冲原子与靶原子核之间的弹性碰撞过程实现的。
　　当入射粒子充分靠近靶材料的晶格原子核时，与原子核之间发生弹性散射，晶格原子获得足够动能时将离开原来的晶格位置成为反冲原子，又称为初级撞出原子(primary knock-on atom，PKA)。当PKA能量较高时，离开晶格位置后它能够继续运动并进一步撞出晶格原子，称为次级撞出原子(secondary knock-on atom，SKA)，同理，SKA又能导致更多原子被撞出，这样一代一代延续的过程称为级联碰撞(collision cascade)[32]。离开晶格位置的原子在原来的位置留