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问题

辐射会对半导产生哪些影响？

回答
好的，我们来聊聊辐射对半导体器件会产生哪些影响。这可不是一件小事，在很多领域，比如航空航天、核工业，甚至是在医疗设备中，半导体都扮演着至关重要的角色，而这些环境往往伴随着不同程度的辐射。所以，了解辐射对半导体的影响，是保证这些设备可靠运行的关键。

首先，咱们得明确，辐射这东西其实挺复杂的，它有很多种类，比如带电粒子（像质子、电子、α粒子）、中子、X射线、伽马射线等等。这些不同类型的辐射，它们与半导体材料的相互作用方式也不尽相同，但最终殊途同归，都会在半导体器件里捣鼓出一些“幺蛾子”。

最直观、也最常见的影响，是“单粒子效应”（Single Event Effects，简称SEE）。

你可以想象一下，半导体器件里面，信息是通过电子的流动来传递的。当一个高能粒子，“轰”地一下穿过半导体材料时，它会在路径上电离出大量的电子空穴对。这就好像你在一个平静的水面上扔了一颗石子，激起了层层涟漪。

瞬态效应（Transient Effects）： 最轻微的情况是，这些电离出来的电子和空穴会在短时间内（通常是纳秒或皮秒级别）产生一个瞬间的电流脉冲。如果这个脉冲恰好发生在某个关键的信号传输节点，或者影响了寄存器中的数据，就可能导致“软错误”（Soft Error）。“软错误”通常不会永久损坏器件，而是会暂时改变存储的数据（比如从0变成1，或者反之）。想象一下，你正在玩一个游戏，突然画面闪了一下，或者操作失灵了一秒，但游戏本身并没有坏。在某些对可靠性要求极高的应用中，即使是这种短暂的失误，也可能是灾难性的。

翻转（Latchup）： 如果半导体器件的结构设计不当，或者粒子能量足够高，激发的电子空穴对可能会触发一种叫做“闩锁效应”（Latchup）的现象。这就像是把一个开关卡在了“开”或者“关”的状态，并且很难恢复。在CMOS器件中，这会形成一个低阻抗的通路，导致器件流过极大的电流，如果不及时切断电源，很可能会导致永久性的烧毁。这就像是电器短路，冒烟了，就不能用了。

永久性损伤（Permanent Damage）： 粒子能量如果足够大，它会在半导体材料中造成更严重的物理损伤。比如，它可能会破坏晶格结构，形成“缺陷”（Defects）。这些缺陷就像是材料里的“伤疤”，会影响电子的正常运动，导致器件性能下降，比如漏电流增加，开关速度变慢，甚至直接失效。

除了单粒子效应，还有一个很重要的影响是“总剂量效应”（Total Ionizing Dose，简称TID）。

这听起来就跟字面意思差不多，就是持续性的辐射照射，导致半导体材料中累积的电离效应。

氧化层的电荷积累： 现在的半导体器件，尤其是MOSFET，非常依赖于栅氧化层（Gate Oxide）的绝缘性能。当辐射照射时，会产生电子空穴对。在氧化层里，电子的迁移率比空穴高很多，所以很多空穴会被“捕获”在氧化层内部，尤其是靠近硅氧化层界面处。这些捕获的电荷会形成一个“等效栅极电压”（Effective Gate Voltage）。

阈值电压漂移： 捕获的电荷会改变器件的工作状态。对于NMOS晶体管，捕获的（正）空穴会使得栅极需要更低的电压就能导通，也就是阈值电压（Vt）降低。反过来，对于PMOS晶体管，捕获的（负）电子会使得栅极需要更高的电压才能导通，也就是阈值电压（Vt）升高。这个阈值电压的漂移，会直接影响器件的开关特性。如果漂移过大，器件可能就无法正常工作了。

跨导下降： 阈值电压的改变，还会影响器件的跨导（Transconductance，Gm），也就是栅电压变化引起漏极电流变化的能力。跨导下降意味着器件的放大能力减弱，逻辑门的驱动能力下降，最终导致电路速度变慢，甚至无法正常工作。

漏电流增加： 捕获的电荷或者由它们引发的缺陷，还可能在器件内部形成漏电通路，导致漏电流（Leakage Current）增加。当漏电流增加到一定程度，器件的功耗就会显著上升，并且可能引发其他更严重的故障。

再说说“衬底损伤效应”（Bulk Damage Effects）。

前面提到的很多影响，尤其是单粒子效应，都跟粒子穿过硅衬底和各种半导体层有关。

迁移率降低： 高能粒子会在半导体材料中留下“缺陷”，这些缺陷就像是挡在电子前进道路上的“小石子”，会阻碍电子的正常运动，使得电子的迁移率（Mobility）下降。迁移率是决定半导体器件速度的关键参数，迁移率下降意味着器件的开关速度变慢。

载流子寿命缩短： 缺陷还会成为载流子的“陷阱”（Traps），捕获电子或空穴，缩短它们的寿命。这对于一些依赖于载流子寿命的器件（比如双极晶体管）来说，会产生严重影响。

总而言之，辐射对半导体的“摧残”是多方面的。

性能衰减： 速度变慢，功耗增加，驱动能力减弱。
功能失常： 逻辑错误，数据翻转，甚至器件完全失效。
可靠性下降： 正常工作寿命缩短，在关键时刻可能“掉链子”。

所以，在设计和制造对辐射有要求的半导体器件时，工程师们会采取各种措施来抵抗辐射的“攻击”。这包括：

材料选择： 使用抗辐射能力更强的材料。
工艺改进： 优化器件结构，减小对辐射的敏感性。比如，采用更先进的制造工艺，使用更薄的氧化层，或者采用特殊的封装技术。
设计优化： 比如，在电路设计中加入冗余度，使用错误检测和纠正（EDAC）技术来处理软错误，或者采用抗闩锁设计的电路结构。
辐射加固： 这是一种专门针对辐射环境设计的技术，比如采用更厚的氧化层，或者使用具有特殊屏蔽能力的材料。

理解了这些，你就会知道为什么那些在太空探测器、核反应堆控制系统里工作的电子设备，它们对半导体器件的要求会如此之高，而且成本也相应地高很多。它们可不是用我们平时手机里用的那种普通芯片就能替代的。

网友意见

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谢Dr.侯邀

硕博期间只从事过硅和碳化硅器件的辐射效应，所以本回答只针对于传统硅工艺。

1.关于离子注入工艺

一般半导体器件和材料面临的辐射环境分为：

空间辐射环境、高能物理实验、核环境、天然环境、加工工艺引入的辐射

问题中提到的离子注入工艺属于加工工艺引入的辐射，对于现代半导体器件来说，在加工工艺中有着很多引入辐射的过程，不仅仅只有离子注入，还有干法刻蚀、电子束/X光光刻、等离子增强化学沉积、离子铣、势垒层以及金属层溅射等。

那接下来说题中问到的离子注入工艺，整个过程即在真空条件下通过静电场给杂质离子加速，使其入射进入晶圆片（wafer）表面以及内部，杂质离子会对半导体起到改性的作用，举个栗子，拿MOSFET（金属-氧化物半导体场效应晶体管）来说，工程师通常借助离子注入工艺来控制晶体管的阈值电压（可以理解为晶体管的开启电压），以及可以在工艺中生成LDD（漏端轻掺杂结构），该结构可以提高器件的长期可靠性，而且有些特定的器件，比如SOI（绝缘衬底上硅技术）器件，好像是需要注入氢离子（完了我一个搞了三年SOI的竟然忘了注什么....）。

同时离子注入会在器件内部引入损伤，即也会对半导体的物理性质产生负面影响，产生损伤的机制和入射离子的类型有关。轻重离子入射产生损伤示意图如图1,2所示（图来源：中国科学院微电子研究所）：

图1.轻离子入射产生损伤机理简图

对于轻离子， 开始时能量损失主要由电子阻止引起， 质量较靶原子轻的离子传给靶原子能量较小，被散射角度较大，只能产生数量较少的位移靶原子，因此， 注入离子运动方向的变化大，产生的损伤密度小，不重叠，但区域较大， 呈锯齿状。

图2.重离子入射产生损伤机理简图

对重离子来说， 每次碰撞传输给靶的能量较大，散射角小，获得大能量的位移原子还可使许多原子移位。 注入离子的能量损失以核碰撞为主。同时，射程较短，在小体积内有较大损伤。 重离子注入所造成的损伤区域小，损伤密度大。

说到离子注入，一定要提及的就是在紧接着离子注入工艺之后的快速热退火，进行热退火的原因有二：

一是之前注入的离子很多都在半导体晶格的间隙位置， 对载流子的输运没有贡献，通俗的讲就是效果不好，通过升温让注入杂质进入电活性位置，使之发挥百分百的功效。

二就是通过退火消除上面提到的离子注入过程中引入的缺陷与造成的损伤，恢复到正常晶格结构。

2.辐射对于半导体的应用

前面说了离子注入应用于半导体工艺方面，因为自己之前是做辐射效应（其实还是损伤为主），但也仍然在一些研究中有一些比较新奇的发现，比如：

图3 伽马辐射所导致的MOS电容栅氧层漏电降低

在某次实验中，我把130nm工艺的PD SOI MOS电容扔进钴60源放了好几个月，然后拿出来发现栅漏电明显降低了，我后续又做了几组不同剂量的实验都得到了一致的结果，这或许说明，电离辐射不一定只会造成元器件的损伤，可能在遥远的未来，伽马射线也可以用来增强器件的可靠性。

关于离子我做的研究不多，主要是国内两个重离子加速器：中科院兰州近物所的机时非常紧张，即使是兄弟单位也拿不到很多....另一个401所的离子LET值不是特别高，所以我做的伽马，中子和高低能质子实验比较多，但是和问题离得比较远，就略过了。

以及：问下半导体物理大佬们，有人见过MOS管的C-V特性曲线纵向漂移的嘛........想了仨月了....
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谢邀。

  1. 离子注入是对半导体材料进行掺杂的其中一种手段。方法是用相对高能的离子束照射材料表面，通过控制离子束的能量和剂量来控制注入的深度和浓度。除此之外，还有扩散法，使掺杂离子从界面透过浓度差扩散到半导体基底中。一般来说会配合加热。不过，由于扩散是向各个方向进行的，一旦需要达到一定的深度，必定难以控制宽度。
  2. 辐射达到一定累积量的时候会对半导体宏观上的物理性质产生影响，比如电学性质。
  3. 粒子注入就是一种应用。高能量离子将原有半导体晶格中的原子击出后，在热能的帮助下取而代之。最终形成p或n型半导体

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