Implementation of the electron track-structure mode for silicon into PHITS for investigating the radiation effects in semiconductor devices

半導体デバイスにおける放射線影響解析を目的としたPHITSへのSiにおける電子線飛跡構造解析機能の実装

平田 悠歩   ; 甲斐 健師   ; 小川 達彦   ; 松谷 悠佑  ; 佐藤 達彦   

Hirata, Yuho; Kai, Takeshi; Ogawa, Tatsuhiko; Matsuya, Yusuke; Sato, Tatsuhiko

検出器や半導体メモリなどのSiデバイスにおいて、パルス波高欠損やソフトエラーなどの放射線影響が問題となっている。このような放射線影響のメカニズムを解明するためには、放射線による精密なエネルギー付与情報が必要である。そこで、Siにおける電子線のエネルギー付与をナノスケールで計算できる電子線飛跡構造解析機能を開発しPHITSに実装した。開発した機能の検証として電子の飛程や付与エネルギー分布を計算したところ、既報のモデルと一致することを確認した。また、一つのキャリア生成に必要なエネルギー(値)について、実験値を再現する二次電子生成のエネルギー閾値は2.75eVであることを見出すとともに、このエネルギー閾値は解析的に計算された結果および実験値と一致することがわかった。本研究で開発した電子線飛跡構造解析機能はSiデバイスに対する放射線影響の調査に応用することが期待される。

Some radiation effects such as pulse-height defects and soft errors can cause problems in silicon (Si) devices. Local energy deposition in microscopic scales is essential information to elucidate the mechanism of these radiation effects. We, therefore, developed an electron track-structure model, which can simulate local energy deposition down to nano-scales, dedicated to Si and implemented it into PHITS. Then, we verified the accuracy of our developed model by comparing the ranges and depth-dose distributions of electrons obtained from this study with the corresponding experimental values and other simulated results. As an application of the model, we calculated the mean energies required to create an electron-hole pair, the so-called epsilon value. We found that the threshold energy for generating secondary electrons reproducing the epsilon value is 2.75 eV, consistent with the corresponding data deduced from past theoretical and computational studies. Since the magnitudes of the radiation effects on Si devices largely depend on the epsilon value, the developed code is expected to contribute to precisely understanding the mechanisms of pulse-height defects and semiconductor soft errors.