高能质子在硅材料中发生核反应

相比重离子而言，高能质子本身的线性能量传输值（LET）很小，即其直接电离产生的电子-空穴对密度很低，其不足以在传统电子器件和集成电路中诱发产生单粒子效应，但随着超深亚微米工艺技术的发展，有关研究工作表明，质子的直接电离过程也可以诱发超深亚微米工艺制作的集成电路发生单粒子效应。

对于传统电子器件和集成电路而言，高能质子诱发的单粒子效应主要是质子与半导体材料核反应产生的反冲核的电离过程所诱发。当一个高能质子入射进入半导体器件材料的晶格结构中时，其与材料靶原子核发生弹性和非弹性碰撞过程，这种碰撞将引发核反应过程，主要包括：①产生硅反冲原子的弹性碰撞；②产生二次反冲核，并发射α粒子和γ射线（例如，Si发射一个α粒子并产生Mg反冲核）；③发生裂变反应过程，靶原子核被裂解为两个碎片（例如，Si分裂成C和O离子）反弹出来。这些反应产物通过直接电离过程在其反弹路径上产生电子-空穴对，由于这些反冲核比质子质量大许多，而且具有一定的能量，它们电离产生的电荷要比质子直接电离产生的电荷多许多，这些电离电荷在传播过程中易导致电子器件或集成电路发生单粒子效应。上述的核反应过程的描述也称为内核级联碰撞/核子蒸发双态核反应过程，即双态内核级联/蒸发核反应模型。图2-23为质子与半导体硅材料原子的内核级联/核子蒸发的双态核反过程示意图。

质子与半导体材料硅原子的核反应过程极其复杂，如图2-24所示。现有描述质子与半导体材料硅原子的核反应过程的成熟模型为上述的内核级联碰撞/核子蒸发双态反应模型，在第一状态时，即内核级联碰撞状态是指高能质子和单个硅原子核发生非弹性级联碰撞后，形成轻碎片和处于激发状态的反冲核；第二状态时，即核子蒸发状态时，处于激发态的反冲核继续蒸发释放核子，直至达到稳态。随着质子能量的增加，核反应过程会展现出不同的特征和反应产物，下面是高能质子与硅原子核反应的一些例子。

图2-23　质子与半导体硅材料原子的核反应过程示意图

（内核级联/核子蒸发的双态核反应模型过程示意）

图2-24　质子与半导体材料硅原子的核反应过程示意图(www.xing528.com)

质子核反应的产物包括反冲核和裂变碎片，其向各个方向发射，但大部分反冲核和裂变碎片主要是前冲方向，随着质子能量的升高，核反应过程倾向于核裂变成多个碎片，由于动量守恒，较轻的裂变碎片具有较高的能量。

核反应产生的反冲核是质子产生单粒子效应的主要机制，在质子核反应中只观测到直接反应和复合核两种反应机制，以及截面更小的碎裂反应。采用量子分子动力学模型（QMD）进行数值计算的结果表明，能量在1 000 MeV以下，质子与铁的碰撞反应过程中，重的碎片始终只有一块，其余的都是轻离子（A≤5），计算分析表明在此能量范围内，尚未发生核的多重碎裂反应。对于传统电子器件而言，敏感体积中的电离电荷主要是由核反应中产生的重反冲核所沉积。对于LET阈值（1～10 MeV·cm2/mg）较低的器件，主要是与后两种类似的反应起主要作用，虽然截面很小，只有20.0 mb左右，但已能引起破坏性单粒子效应SEL以及功率MOSFET中的单粒子烧毁和单粒子栅击穿等，这对低地球轨道卫星电子系统而言，特别是其经过南大西洋地磁异常区中心区域时，会对系统构成极大威胁。