重离子辐射对n型阶梯隧穿路径TFET器件性能影响的仿真研究

研究人员针对航天及核能等极端环境中半导体器件的辐射耐受性问题，采用Sentaurus TCAD仿真技术，系统研究了重离子辐射对阶梯隧穿路径TFET（STP-TFET）的电学特性影响。研究发现，在LET=50 MeV-cm2/mg时漏极电流(ID)可达28,000 μA，入射角度为0°时瞬态电流峰值达200,000 μA，揭示了辐射几何参数与器件性能退化的定量关系，为抗辐射电子器件设计提供了关键理论依据。

　　

在太空探索、核能应用等极端环境下，电子设备常暴露于高能粒子辐射中，传统MOSFET器件易因辐射诱导的电荷积累出现性能退化甚至失效。隧穿场效应晶体管（TFET）因其独特的带间隧穿（Band-to-Band Tunneling, BTBT）机制，具有亚阈值摆幅低、功耗小的优势，但辐射环境下的可靠性问题始终是制约其工程应用的瓶颈。特别是近年来备受关注的阶梯隧穿路径（Step Tunneling Path, STP）TFET，虽然通过优化隧穿区域提升了载流子注入效率，但其对辐射扰动的敏感性尚未系统研究。

为攻克这一难题，研究人员采用Sentaurus TCAD仿真平台，构建了具有双栅氧化层（SiO₂/HfO₂）的n型STP-TFET三维模型。通过模拟不同线性能量转移（Linear Energy Transfer, LET）值的重离子在器件特定位置（50-230 nm源区距离）的轰击过程，结合变角度入射实验（0°-90°），首次揭示了STP-TFET的辐射响应机制。

关键技术包括：1）器件电学特性基准测试（I_D-V_G曲线、亚阈值摆幅分析）；2）重离子径迹建模（采用高斯分布描述电荷云扩散）；3）瞬态响应监测（记录10 ps时间分辨率的电流波动）；4）静电势场分布计算（量化辐射前后势垒变化）。

结果与讨论

1. LET依赖性：当LET从20增至50 MeV-cm²/mg时，瞬态漏电流峰值从15,000 μA跃升至27,125.83 μA，电荷收集量达0.25 pC/μm，证明高能离子引发更强烈的电离效应。
2. 角度效应：垂直入射（0°）产生最大电流扰动（200,000 μA），而60°斜射时电荷收集效率降低37%，说明入射几何直接影响电荷输运路径。
3. 位置敏感性：离子轰击源区近端（50 nm）时，势垒高度降低0.28 eV，导致BTBT概率提升2个数量级，证实器件对辐射位置具有空间选择性。

结论
该研究定量解析了重离子辐射引发STP-TFET性能退化的物理机制：1）高LET值导致密集电离，产生超量电子-空穴对；2）垂直入射使电荷沿最短路径被电极收集；3）源区邻近轰击显著调制隧穿势垒。这些发现为设计抗辐射加固的TFET提供了关键参数：推荐采用倾斜器件布局降低角度敏感性，优化栅介质堆叠以增强电荷屏蔽，并通过掺杂工程调控电离损伤阈值。论文发表于《Mental Health》，研究成果对发展适用于航天电子、核检测装备的低功耗抗辐射芯片具有重要指导价值。