关键词：半导体器件；辐射电离效应；激光模拟；
因为对半导体器件进行安全、快捷、无损伤的辐射效应研究及验证的迫切需求，激光模拟辐射电离效应方法应运而生，并得到了国外科研界的推动和认可。相比于大型地面辐射模拟装置，激光模拟方法具有许多独特优势，可为深入认识半导体器件辐射效应，开展有针对性的抗辐射加固设计提供重要的补充手段，其研究在理论和应用方面均具有重要性。
一、我国研究现状与进展
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。总之，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。
二、激光与半导体相互作用基本原理
激光模拟辐射电离效应最基本原理是半导体器件吸收激光能量，产生电子-空穴对，形成电子-空穴等离子体。电子和空穴在耗尽层电场的作用下，往相反方向运动形成光电流，通过器件互联，传播并放大至后续器件中。这个物理机制和γ射线照射半导体器件非常接近。半导体与激光产生的光致光电流来源于半导体材料对光子的吸收，分为线性吸收和非线性吸收。实际上，激光照射半导体器件引发的物理过程非常复杂，除了上述吸收机制外，还有自由载流子吸收、激子吸收、带宽收缩、载流子散射、复合及热效应等过程。（1）线性吸收。根据能带理论，当光子能量大于半导体禁带宽度时，主要的吸收机制为单光子吸收。（2）非线性吸收当光子能量略大于硅半导体的禁带宽度，甚至小于其禁带宽度时，半导体材料对光子的吸收率很低。此时如果增大激光强度使之超过一定阈值(如大于106 W/cm2~107 W/cm2)，就会出现非线性吸收现象，即2个甚至多个光子被一个电子吸收，却只激发一对电子-空穴对。激光强度越大，光波长越长，非线性吸收现象越严重。探究引起非线性吸收的原因，有研究人员认为来自半导体器件对激光强度吸收的不均匀性、等离子振荡引起的反射率变化、温度变化导致吸收系数和电导率改变以及其他热效应等。（3）自由载流子吸收。当半导体中的等离子体振荡频率和入射激光频率接近时，会发生共振吸收，即光子能量被等离子体的自由载流子吸收使其发生同一带内跃迁。这种情况下只产生自由电子的加热效果，不产生新的电离。自由载流子的吸收强烈依赖于光场强度和光波长，这种机制只有当光子能量接近或者小于禁带宽度，且掺杂浓度较高时才比较明显。当半导体熔化，具有较高电导率时，这种机制也比较明显。一般情况下可以忽略这种机制。（4）带宽收缩效应。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆半导体材料的能带结构与温度和掺杂浓度有关。当掺杂浓度越大，温度越高，导带与价带之间的带宽越窄，相当于光子能量相对增大，从而导致对激光的吸收增加。在相同的掺杂浓度下，带宽收缩效应对长波长的激光影响越明显。（5）复合机制。激光照射半导体时打破了热平衡，产生了过剩载流子，主要的复合机制为俄歇复合，尤其对于掺杂高的器件而言。除此之外，还会存在直接复合、间接复合等复合机制。
三、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原理和激光与半导体相互作用原理的不同，使得实验模拟结果具有一定的应用范围和一定的差异。在瞬时剂量率效应方面，两种机制的主要区别包括:
1.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。
2.对于总剂量效应，激光模拟长期低剂量率下半导体器件总剂量效应目前存在的问题如下：a)激光能量与辐射剂量率的线性对应关系下限还未确定，目前报道μJ级的脉冲激光可以等效的辐射剂量率约为106 rad(Si)/s~108 rad(Si)/s，那么10 rad(Si)/s、甚至小于0.1 rad(Si)/s的剂量率对应的激光能量可能为nJ甚至更小。这种情况下，利用激光长期辐照半导体器件模拟总剂量效应，激光的漂移、长期稳定性、信噪比可能极大地影响模拟的精确度；b)总剂量效应的研究往往需要较长的时间，一般很难有长时间来进行真实情况的模拟，利用提高激光能量来进行加速实验是否具有有效性还未得到验证；c)低剂量率下的总剂量效应主要发生在SiO2和Si的界面层，而激光很难有效地电离SiO2，其模拟的机理和准确性可能和实际情况差别较大，需要进一步明确。
总之，激光的辐射效应仿真机制和方法的研究,积极推进研究方向目前在国外,其发展不仅符合半导体器件辐射效应研究,失效机理分析以及抗辐射加固设计等领域的需求,更深入的了解半导体器件和系统的辐射效应的本质也有很大帮助。因此，应尽快推进相关研究，认真深入探讨激光模拟剂量率效应的机理和方法，为我国相关领域的实际需要提供研究参考和技术手段。
参考文献：
[1]刘萍.半导体器件和集成电路的辐射效应.2018.
[2]薛洲,浅谈半导体器件辐射电离效应的激光模拟方法.2019.
论文作者:马晶
论文发表刊物:《中国电业》2019年 22期
论文发表时间:2020/4/24
标签：激光论文; 效应论文; 电离论文; 剂量论文; 半导体器件论文; 载流子论文; 光子论文; 《中国电业》2019年 22期论文;