第一性原理计算重构半导体器件TID效应理论基石！

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研究背景

在深空探测、核工业等极端应用场景中，半导体器件的总电离剂量（total ionizing dose, TID）效应严重威胁电子学系统可靠性，其根源是高能光子与离子辐照在介电/隔离层中诱导的褶皱构型正电氧空位缺陷（又称为氧化物固定电荷N_ot）。近半个世纪以来，基于实验推断的“空穴浅能级输运-深能级捕获”模型，始终无法解释缺陷浓度对温度的基本依赖性，且理论计算与实验结果存在显著偏差。因此，揭示缺陷的微观形成机制，是TID效应研究领域亟待突破的核心问题。

近期，中国科学院新疆理化技术研究所宋宇研究员联合宁波东方理工大学物理学院院长、讲席教授魏苏淮，在介电材料辐射缺陷动力学研究方面取得重要进展，提出电离辐照中氧空位缺陷形成的新机制和解析模型，为半导体器件TID研究领域提供理论新基石，同时为介电材料缺陷动力学研究提供通用方法。

研究内容

针对中缺陷电子态的亚稳性和分散性这一核心问题，研究团队构建了缺陷形成能-载流子俘获截面（FECCC）研究框架，基于自旋极化的HSE06杂化泛函与全声子谱计算，结合缺陷前体集体弛豫的KWW函数建模，提出缺陷形成的“非辐射载流子俘获-结构弛豫”（NCCSR）机制和分数幂律（FPL）动力学模型。

图1 第一性原理计算揭示的电离辐照中缺陷形成的NCCSR机制。

FECCC 计算表明，由于亚稳性，领域内长期假设的深能级前体V_0γ并不存在；唯一存在的浅能级前体V_0δ可通过强烈的电 - 声耦合，非辐射地俘获价带中的空穴，形成不稳定的中间态，再经结构弛豫形成稳定的缺陷。同时，KWW建模结果表明，受V_0δ分散性的影响，E '缺陷浓度随总剂量呈现FPL式的亚线性增长。

图2 NCCSR机制的基础。(a)不同价态和构型氧空位缺陷的微观结构。(b)中性及正电氧空位形成能随Si-Si间距的变化。(c)二聚体（红色）和褶皱（蓝色）构型的电荷跃迁能级分布。(d)四种缺陷状态的单缺陷能级，两个红色箭头指出NCCSR过程。

本研究提出的NCCSR机制自洽解释了缺陷浓度的温度依赖性；FPL 模型对缺陷动力学行为的预测，与多温度、宽剂量区间的实验数据高度契合。研究首次获得非辐射空穴俘获的势垒为 0.11 eV，同时获取了与实验自洽的其他缺陷关键参数，为偏置温度不稳定性（BTI）等氧空位相关的半导体器件可靠性及功能研究提供了重要参数支撑。

图3 FPL模型的实验验证。（a）不同温度下缺陷浓度随总剂量变化的实验数据（点）及模型拟合结果（线）。（b）模型抽取参数随温度的变化，非辐射空穴俘获的热势垒为0.11 eV。

关键性突破

本研究彻底颠覆了 TID 效应研究领域长达半个世纪的传统认知，实现了介电材料电离缺陷动力学从“不能解释”到“可以预测”的0-1关键跨越，是该领域的原创性重大突破。其构建的全新理论体系，将对深空探测、核工业等极端环境下半导体器件的可靠性评估与设计产生长远且深刻的影响，而研究中发展的计算建模方法，还可广泛应用于替代电介质等非晶、宽带隙材料的缺陷动力学研究，为相关材料研发提供通用方法学支撑。