绝缘体上硅垂直超薄体场效应晶体管(SOI VSTB FET)的抗辐射性能：基于TCAD仿真的单粒子效应研究

为应对高辐射环境下半导体器件的可靠性挑战，研究人员通过TCAD仿真系统研究了SOI VSTB FET在重离子辐射下的单粒子瞬态效应(SET)，揭示了器件在沟道区域对辐射最敏感的特性，并分析了入射角度(00 -900 )和线性能量转移(LET=20 MeV·cm2 )对电荷收集的影响，为空间电子器件抗辐射设计提供了关键理论依据。

　　

随着半导体技术在航天、核反应堆等高辐射环境中的广泛应用，器件抗辐射性能成为关键挑战。高能粒子引发的单粒子效应(SEE)会导致电子设备瞬时故障甚至永久损坏，其中重离子辐射的影响尤为显著。尽管绝缘体上硅(SOI)技术因其绝缘衬底特性具有一定抗辐射优势，但垂直超薄体场效应晶体管(VSTB FET)在纳米尺度下的辐射敏感性仍需深入探究。

为系统评估SOI VSTB FET的辐射耐受性，研究人员采用技术计算机辅助设计(TCAD)仿真方法，重点研究了重离子在不同位置（源极、沟道、漏极）和不同入射角度(0⁰
、30⁰
、45⁰
、60⁰
、90⁰
)下的电荷收集特性。研究保持线性能量转移(LET=20 MeV·cm²
)恒定，通过高斯分布模型模拟辐射轨迹（半径10 nm，时间常数T_C
=10 ps），特别关注了器件在关断状态(V_DS
=0.5 V，V_GS
=0 V)下的响应。

主要技术方法
研究采用三维TCAD仿真平台构建SOI VSTB FET模型，通过重离子辐射模拟生成单粒子瞬态电流脉冲。关键参数包括：电荷收集量(Q_C
)、双极增益、不同LET值下的瞬态响应。辐射敏感性分析涵盖空间位置效应和角度依赖性，并与传统FET的已发表数据进行对比。

研究结果

1. 器件架构与仿真方法：三维建模显示SOI VSTB FET具有超薄垂直沟道结构，其制造工艺与文献报道一致。仿真中重离子辐射模型采用高斯分布参数，能准确反映实际辐射效应。

2. 结果与讨论：

• 沟道区域对辐射最敏感，重离子轰击可使器件从关断状态切换至导通状态。
• 入射角度增大导致表面电荷积累增加，90⁰
  入射时电荷收集量最大。
• LET值变化显著影响双极增益，高LET条件下增益降低。
• 关断状态下的SEE效应比导通状态更显著，与常规FET相比展现出独特响应特性。

1. 结论：
   SOI VSTB FET在重离子辐射下表现出位置依赖性和角度敏感性，其中间沟道区域为最脆弱部位。该研究为优化器件抗辐射设计提供了量化依据，特别是通过调控几何结构和偏置条件可显著提升其在极端环境下的可靠性。

重要意义
该研究首次系统揭示了SOI VSTB FET在重离子辐射下的响应机制，填补了超薄垂直结构器件抗辐射性能研究的空白。研究提出的角度敏感性和状态依赖性规律，为航天电子器件的辐射加固设计提供了新思路。相关成果发表于《Micro and Nanostructures》，对发展下一代抗辐射集成电路具有重要指导价值。