本發(fā)明涉及材料輻照損傷，尤其是指基于輻照性質(zhì)調(diào)控單晶硅片電容靈敏度的方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、單晶硅是一種由硅原子以特定排列形式形成的物質(zhì)，具有高度的有序性和純度，是半導(dǎo)體材料的重要組成部分。同時，單晶硅憑借其導(dǎo)電導(dǎo)熱性、抗輻射、耐高溫以及較高的紅外透過率和折射率等優(yōu)異性能，被廣泛應(yīng)用于太陽能電池、集成電路、半導(dǎo)體器件、光學(xué)器件及生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

2、在輻照環(huán)境中，包含大量的高能量粒子，會對半導(dǎo)體器件造成損傷，其中包括電離損傷和位移損傷。其中，電離損傷是通過打破半導(dǎo)體材料中的能帶平衡產(chǎn)生電子和空穴載流子；位移損傷則是由于高能粒子的動能很高，高速的粒子與半導(dǎo)體原子發(fā)生彈性或非彈性碰撞，被碰撞的半導(dǎo)體原子被高能粒子撞擊離開其原來的晶體位置，并在原來的位置形成一個空位缺陷。

3、經(jīng)過輻照作用后產(chǎn)生的空位缺陷使得單晶硅材料的力學(xué)性能發(fā)生變化。同時，這種變化遵循著一定的科學(xué)規(guī)律，即隨著輻照劑量的改變，單晶硅材料中產(chǎn)生的空位缺陷會隨之改變，單晶硅材料的力學(xué)性能也會隨之改變。

4、由于硅單晶力學(xué)性能的重要性，在過去的幾十年中，研究者們對單晶硅的力學(xué)性能，以及雜質(zhì)對單晶硅力學(xué)性能的影響做了大量工作。但是，現(xiàn)有技術(shù)無法有效地調(diào)控單晶硅電容器靈敏度。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為此，本發(fā)明提供基于輻照性質(zhì)調(diào)控單晶硅片電容靈敏度的方法及系統(tǒng)，能夠通過控制輻照作用后產(chǎn)生空位缺陷比率調(diào)控電容的楊氏模量，通過調(diào)控楊氏模量模量去調(diào)控電容輸出值，實現(xiàn)對單晶硅電容靈敏度調(diào)控。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種基于輻照性質(zhì)調(diào)控單晶硅片電容靈敏度的方法，包括：

3、建立單晶硅模型；

4、通過不同輻照劑量高能粒子對所述單晶硅模型進(jìn)行輻照處理，獲取缺陷數(shù)目與輻照劑量的關(guān)系曲線；

5、對輻照后的所述單晶硅模型進(jìn)行拉伸處理后，獲取應(yīng)力應(yīng)變曲線；

6、對所述應(yīng)力應(yīng)變曲線進(jìn)行線性擬合，得到單晶硅的楊氏模量；

7、基于不同缺陷數(shù)目下的所述單晶硅的楊氏模量，得到缺陷數(shù)目與所述單晶硅的楊氏模量的關(guān)系曲線；

8、針對單晶硅電容器所需目標(biāo)楊氏模量的單晶硅薄片，基于所述缺陷數(shù)目與所述單晶硅楊氏模量的關(guān)系曲線，獲取所述單晶硅薄片的目標(biāo)缺陷數(shù)目；

9、基于所述單晶硅薄片的目標(biāo)缺陷數(shù)目和所述缺陷數(shù)目與輻照劑量的關(guān)系曲線，確定所述單晶硅薄片輻照的目標(biāo)輻照劑量；

10、根據(jù)所述單晶硅薄片輻照的目標(biāo)輻照劑量，制備出單晶硅電容器。

11、在本發(fā)明的一種實施方式中，所述建立單晶硅模型，包括：

12、采用非平衡態(tài)的分子動力學(xué)模擬，使用lammps軟件進(jìn)行建模，得到所述單晶硅模型；

13、設(shè)置所述單晶硅模型的尺寸為晶格常數(shù)

14、在單晶硅模型的所有方向上設(shè)置周期性邊界條件，以避免原子飛出或原子缺失。

15、在本發(fā)明的一種實施方式中，所述通過不同輻照劑量高能粒子對所述單晶硅模型進(jìn)行輻照處理，獲取缺陷數(shù)目與輻照劑量的關(guān)系曲線，包括：

16、在lammps軟件中使用create_atoms命令，通過隨機增加原子的方法，在模型中均勻地生成間隙原子和空位缺陷，從而構(gòu)建具有不同缺陷數(shù)目的單晶硅模型；

17、基于所述高能粒子的初始動能確定輻照劑量，以獲取缺陷數(shù)目與輻照劑量的關(guān)系曲線。

18、在本發(fā)明的一種實施方式中，所述基于所述高能粒子的初始動能確定輻照劑量，以獲取缺陷數(shù)目與輻照劑量的關(guān)系曲線，包括：

19、根據(jù)nrt-dpa方程，計算缺陷數(shù)目nd：

20、

21、其中，其中位移效率k取值為0.8，與初始動能、目標(biāo)材料和溫度無關(guān)；ed為單晶硅材料的離位閾能,取值為17ev；nd為缺陷數(shù)目；e為初始動能；

22、通過改變初始動能e，得到不同的缺陷數(shù)目nd，從而建立缺陷數(shù)目與輻照劑量的關(guān)系，并繪制相應(yīng)的曲線。

23、在本發(fā)明的一種實施方式中，所述對輻照后的所述單晶硅模型進(jìn)行拉伸處理后，獲取應(yīng)力應(yīng)變曲線，包括：

24、對所述單晶硅模型進(jìn)行nvt弛豫；

25、對弛豫后的所述單晶硅模型進(jìn)行單軸拉伸，得到應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)；

26、重復(fù)以上步驟，對多次得到的所述應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行異常值去除處理和平均化處理，得到所述應(yīng)力應(yīng)變曲線。

27、在本發(fā)明的一種實施方式中，所述對所述單晶硅模型進(jìn)行nvt弛豫，包括：設(shè)置時間步長為0.001fs，運行15000步，以使所述單晶硅模型在恒定粒子數(shù)、體積和溫度下達(dá)到熱力學(xué)平衡。

28、在本發(fā)明的一種實施方式中，所述對弛豫后的所述單晶硅模型進(jìn)行單軸拉伸，包括：設(shè)置拉伸方向為x方向，拉伸速率設(shè)定為0.00005s，時間步長保持為0.001fs，運行13000步。

29、在本發(fā)明的一種實施方式中，所述基于不同缺陷數(shù)目下的所述單晶硅的楊氏模量，得到缺陷數(shù)目與所述單晶硅的楊氏模量的關(guān)系曲線，包括：

30、利用所述應(yīng)力應(yīng)變曲線進(jìn)行線性擬合，得到單晶硅的楊氏模量，其中，楊氏模量的計算公式如下：

31、

32、其中，e表示楊氏模量，σ表示正向應(yīng)力，ε表示正向應(yīng)變；

33、對不同缺陷數(shù)目的單晶硅模型重復(fù)進(jìn)行拉伸處理，計算相應(yīng)的楊氏模量；

34、將不同缺陷數(shù)目下的楊氏模量繪制為曲線，得到缺陷數(shù)目與所述單晶硅的楊氏模量的關(guān)系曲線。

35、本發(fā)明還提供一種基于輻照性質(zhì)調(diào)控單晶硅片電容靈敏度的系統(tǒng)，包括：

36、建模模塊，用于建立單晶硅模型；

37、第一關(guān)系曲線模塊，用于通過不同輻照劑量高能粒子對所述單晶硅模型進(jìn)行輻照處理，獲取缺陷數(shù)目與輻照劑量的關(guān)系曲線；

38、應(yīng)力應(yīng)變曲線獲取模塊，用于對輻照后的所述單晶硅模型進(jìn)行拉伸處理后，獲取應(yīng)力應(yīng)變曲線；

39、楊氏模量獲取模塊，用于對所述應(yīng)力應(yīng)變曲線進(jìn)行線性擬合，得到單晶硅的楊氏模量；

40、第二關(guān)系曲線獲取模塊，用于基于不同缺陷數(shù)目下的所述單晶硅的楊氏模量，得到缺陷數(shù)目與所述單晶硅的楊氏模量的關(guān)系曲線；

41、單晶硅薄片缺陷數(shù)目獲取模塊，用于針對單晶硅電容器所需目標(biāo)楊氏模量的單晶硅薄片，基于所述缺陷數(shù)目與所述單晶硅楊氏模量的關(guān)系曲線，獲取所述單晶硅薄片的目標(biāo)缺陷數(shù)目；

42、輻照劑量確定模塊，用于基于所述單晶硅薄片的目標(biāo)缺陷數(shù)目和所述缺陷數(shù)目與輻照劑量的關(guān)系曲線，確定所述單晶硅薄片輻照的目標(biāo)輻照劑量。

43、本發(fā)明的上述技術(shù)方案相比現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點：

44、本發(fā)明所述的基于輻照性質(zhì)調(diào)控單晶硅片電容靈敏度的方法及系統(tǒng)，通過高能粒子對單晶硅進(jìn)行輻照處理，利用輻照環(huán)境中包含的大量高能量粒子，使單晶硅材料中產(chǎn)生的空位缺陷，導(dǎo)致楊氏模量等力學(xué)性能性能發(fā)生改變，楊氏模量變化值與輻射劑量參數(shù)相關(guān)聯(lián)，通過控制輻照劑量的大小控制輻照作用后產(chǎn)生空位缺陷比率以調(diào)控電容的楊氏模量，通過調(diào)控楊氏模量模量去調(diào)控電容輸出值，可實現(xiàn)對單晶硅電容器靈敏度進(jìn)行調(diào)節(jié)。通過輻照損傷調(diào)控單晶硅電容器靈敏度具備低成本、高效率、靈敏度高等優(yōu)點。