Calculation of displacement damage dose of semiconductors using PHITS code

PHITSコードを用いた半導体の弾き出し損傷量の計算

岩元 洋介   

Iwamoto, Yosuke

宇宙環境では、陽子,中性子,重イオン等の放射線が機器の半導体に照射され、放射線によって引き起こされる原子変位が機器の電気的性能を低下させる。半導体の原子変位は、非電離エネルギー損失(NIEL)と粒子フルエンスの積分で表される変位損傷量(DDD)に比例する。本研究では、宇宙空間における様々な放射線に対する半導体のDDDを計算するため、粒子・重イオン輸送計算コードPHITSで、金属の原子あたりの弾き出し数(DPA)を導出する手法を活用したDDDの計算手法を開発した。この手法では、荷電粒子と標的との間のクーロン散乱断面積の計算、核反応の計算、中性子照射下における荷電粒子生成の計算等を含む。陽子,中性子、及び電子をシリコンに照射した条件で、PHITSによるNIELの計算結果は半導体のNIELを解析するためのウェブ計算機で得られた数値データと一致した。また、SiC, InAs, GaAs、及びGaNの半導体について、最近の分子動力学シミュレーションから得られた欠陥生成効率をPHITSに実装した。その結果、エネルギー10MeVの陽子照射の場合、解析対象とした半導体の中で、GaAsが変位損傷を最も受けやすく、SiCが変位損傷を最も受けにくいことがわかった。

In the space environment, radiation irradiate the semiconductors of the devices, and the atomic displacement caused by these radiation degrades the electrical performance of the devices. The atomic displacement of the semiconductor is proportional to the displacement damage (DDD), which is expressed by the non-ionizing energy loss (NIEL). In order to calculate the DDD of semiconductors for various radiation in space, we have developed a method for calculating the DDD in the PHITS code. When silicon was irradiated with protons, neutrons, and electrons, the results of the NIEL calculations by PHITS agreed with the numerical data obtained by the NIEL computer for semiconductors. The defect production efficiencies obtained from the recent molecular dynamic simulations for SiC, InAs, GaAs, and GaN semiconductors were also implemented in PHITS. The results show that GaAs is the most sensitive to displacement damage and SiC is the most resistant to damage when irradiated with 10 MeV protons.