质子与半导体硅材料的相互作用优化：深入探究质子与半导体间的反应机制

质子与半导体硅材料相互作用的方式主要有三种情况：第一，质子与半导体材料靶材原子中的核外电子发生非弹性碰撞，导致原子激发或电离，即质子的直接电离过程，这种过程是质子穿过物质时损失能量的主要方式，质子在硅材料中的阻止本领或质子LET值的大小主要由这种方式所决定。第二，质子与靶原子核发生弹性碰撞，即核阻止；质子与半导体硅材料原子发生弹性碰撞时，质子将能量传递给靶材料原子核，使靶核离开原来的位置，产生位移损伤。第三，质子与半导体材料靶原子核发生非弹性碰撞后发生核反应，在质子与靶材原子发生的核反应中，观测到直接反应和复合核两种主要反应机制，以及截面更小的碎裂反应过程。

质子与靶原子核中核外电子弹性碰撞导致原子电离，这种相互作用方式被称为质子能量的电离损失，或称为电子碰撞能量损失；质子使物质电离的能力用电子能量损失来量度，即质子的阻止本领，或质子的线性能量损失LET；另外，质子与半导体硅材料原子核发生弹性碰撞时的能量损失为核阻止线性能量损失LET，与电子阻止线性能量损失LET相比较，这部分数值上很小，可以忽略不计。

在考虑了激发和电离的共同作用后，贝特等人给出的电子阻止本领表达式如下：

图2-21　质子LET值随能量的变化曲线

图2-22为铝屏蔽材料中质子阻止本领随其能量的变化曲线，在铝屏蔽材料中，10 MeV质子在30 μm的射程内，其最大LET值约为0.5 MeV·cm2/mg，而在最初的20 μm的入射距离内，其LET值约在0.05 MeV·cm2/mg范围内。

图2-22　质子在铝材料中的阻止本领(www.xing528.com)

对于传统器件，质子通过直接电离沉积的能量不足以产生单粒子效应（Single Event Effect，SEE），只有对临界电荷很小的器件（LET阈值小于1 MeV·cm2/mg），如大容量的DRAM、纳米SRAM器件、CCD器件以及光电器件，质子直接电离过程能够诱发单粒子效应发生。值得特别指出的是，随着现代电子器件和集成电路技术的不断发展，不能因为质子的LET值小，就轻易忽略质子直接电离引起的单粒子效应问题。对高能质子而言，其线性能量损失LET反映的是能量沉积的统计平均值，由于统计涨落，质子沉积的能量可能超过平均值，甚至可以高一个数量级左右，所以当电子器件或集成电路的翻转LET阈值与高能质子的LET值接近时，一部分入射质子的LET值就有可能超过翻转阈值，通过直接电离产生翻转，这种概率也可能超过发生核反应的概率。