卢本卓 工业软件研发与产业应用专题论坛 半导体器件及其电离辐射损伤效应的.docx

半导体器件及其电离辐射损伤效应的

数值仿真方法、软件及应用

卢本卓

中科院数学与系统科学研究院

国家数学与交叉科学中心

2020年9月18日

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目录

1.半导体器件电离辐射效应背景介绍

2.电离损伤总剂量效应的物理模型及算法设计

3.半导体器件及其辐射损伤效应仿真软件系统

4.半导体器件电离损伤的数值结果与讨论

5.电离损伤动力学机制的理论分析

6.总结

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半导体器件电离辐射效应背景介绍

?半导体器件电离辐射效应的研究背景

?器件电离辐射损伤软件平台的研究现状

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半导体器件

n-型掺杂半导体p-型掺杂半导体

MOSFET器件

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半导体器件电离辐射的研究背景

?在电离辐射（电子、质子、离子、

X、伽马）的持续作用下，电子器

件、电路、系统表现出的参数漂

移甚至功能失效

?总剂量效应（TotalIonizingDose

Effects）

?与瞬时电离效应不同,这是一种长

期效应，曾多次导致航天器电子

元件失效

?关键参变量:总剂量（Total

Dose）、剂量率(DoseRate)

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半导体器件电离辐射效应的研究

?关键指标：界面带电缺陷(Nit),氧化物

体带电缺陷(Not)

?关键现象：总剂量效应(TID)，低剂量

率辐射损伤增强效应(ELDRS)

?低剂量率辐射损伤增强效应(ELDRS):

以不同的剂量率辐射至相同的总剂量，

剂量率较小时，总剂量效应更大；

?表现为总剂量效应的剂量率依赖

?通常在双极器件中发生（材料的影响）

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半导体器件电离辐射效应背景介绍

?半导体器件电离辐射效应的研究背景

?器件电离辐射损伤软件平台的研究现状

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器件电离辐射损伤软件平台的研

Charon：Sandia实验室开发,主要用于高注量脉冲中子瞬态损伤效应模拟，具有非常强

大的并行计算能力，计算规模达到1亿自由度。

COMSOL：商业软件，多物理耦合，需用户自行开发对应模块。

ATLAS：Silvaco公司开发TCAD工具，集成有辐射模块REM(RadiationEffectModule)。

VisualTCAD:Cogenda公司开发TCAD工具，集成有半导体辐射求解器GeniusDeviceSimulator

FLOODS：Florida大学开发电离损伤模拟的软件包为一维以及二维的电离损伤效应模拟。

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器件辐射损伤数值算法的研究意

?电离损伤的总剂量效应模拟是一个关系核武器、航天、核能等国家

重要领域，这方面的仿真算法和自主软件研制也受到相关限制。

?器件模拟工具TCAD(TechnologyComputerAidedDesign)软件对器件辐

射损伤模拟支持严重不足。

?低剂量率辐射损伤增强效应(ELDRS)使得实验时间极大拉长，需要数

值模拟予以验证。

?从科学工程计算角度来讲，电离损伤定量模型是一个典型的多组分、

多物理、强刚性非线性耦合模型，其三维求解器研发难度远远高于通用半导体器件模拟求解器。

?目前仍缺少针对该模型三维数值仿真结果和动力学研究。

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器件及其电离损伤的物理模型及其数值方法

?器件电离损伤总剂量效应的定量物理模型及其数值方法

?通用半导体器件仿真中的漂移扩散模型及数值方法

?器件电离损伤总剂量效应的电学响应模型及其数值方法

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?基于国产开源软件包PHG（ParallelHierarchicalGrid）

是科学与工程计算国家重点实验室开发的一个三维并行自

适应有限元软件开发平台，具有良好的大规模并行性能，已支持了多款不同领域内的应用研究项目，并运行于天河、神威等

国家超算上。

主要特征有:

?提供基于必威体育精装版顶点单元二分的非结构协调四面体网格并行局部加密;

?支持h-p自适应有限元计算;

?支持大规模并行和动态负载平衡;

?提供大型稀疏线性方程组直接求解和灵活的预处理迭代求解；

?主体采用C语言编写,基于MPI及OpenMP实现并行.

ZhangL.AParallelAlgorithmforAdaptiveLocalRefinementofTetrahedralMeshesUsingBi-section[J].NumericalMathematics-

TheoryMethodsandApplications,Feb2009,2(1):65–89.

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电离损伤的物理模型

氧化层电离损伤总剂量效应主要动力学机制归结如下：

?康普顿效应：即伽马射线等辐射诱发氧化层区域产生电子-空穴对。

?质子生成机制：即电子、空穴、氧化层体缺陷、氢分子(H2)发生一系

列复杂反应，并释放质子的动力学过程。

?氧化层带电体缺陷(Not)