Renormalisation des calculs prévus par la simulation NIEL pour la production des défauts introduits par l’irradiation dans le semi-conducteur en fonction de la nature des particules irradiantes

Abstract

En environnement radiatif spatial, les composants électroniques embarqués à bord d'engins spatiaux doivent faire face aux différents types de particules irradiantes très énergétiques. Cela peut représenter un risque important pour les missions spatiales. Ces particules énergétiques peuvent produire des déplacements atomiques (ou dommages de déplacement) dans le réseau cristallin des matériaux semi-conducteurs utilisés dans les composants embarqués. Les défauts de déplacement qui en résultent entraînent une dégradation des performances pouvant aller jusqu'à la défaillance. Actuellement, les calculs théoriques de NIEL (Non Ionizing Energy Loss) sont largement utilisés pour prédire la dégradation induite par l'irradiation dans les composants électroniques (ou les matériaux semi-conducteurs). Bien que le NIEL soit une approche efficace pour décrire les effets des dommages de déplacement, certains écarts entre les données expérimentales et les calculs de NIEL sont encore observés, pour les électrons de faible énergie et les rayons gamma, ainsi que pour certains matériaux, tels que le GaAs (arséniure de gallium), irradiés aux protons de haute énergie. Dans le travail présenté ici, nous avons essayé d'aborder cette problématique. Dans ce travail, nous avons effectué des calculs systématiques de NIEL pour les protons, les électrons et les rayons gamma dans une large gamme d'énergies, en utilisant des approches et des modèles que nous pensons être les plus appropriés à cette fin. Ces calculs de NIEL ont été comparés avec un large ensemble de données expérimentales issues de la littérature. Pour les électrons et les rayons gamma, un accord raisonnable est trouvé entre ces calculs théoriques de NIEL et les données expérimentales pour les trois matériaux considérés (silicium, GaAs et InGaAs). Cependant, la dispersion des données expérimentales est relativement importante. Nous avons montré qu'il est possible de surmonter ce problème, lorsqu'une valeur adaptée de l'énergie seuil de déplacement est utilisée pour calculer le NIEL des électrons et des rayons gamma. Pour les protons, l'accord entre notre NIEL pour GaAs et les données expérimentales est particulièrement bon pour les protons d'énergies inférieures à environ 20 MeV. Cependant, pour les protons de haute énergie, le NIEL semble surestimer la dégradation mesurée dans la plupart des cas. Nous avons attribué ce désaccord à plusieurs raisons possibles qui sont discutées, à la fois d'un point de vue théorique et expérimental, dans ce travail.