碳化硅结势垒肖特基二极管质子辐照损伤研究

碳化硅功率器件凭借优异性能被抗辐照应用领域寄予厚望。为探究碳化硅功率器件抗中能质子辐照损伤能力，明确其辐射效应退化机制，对标低地球轨道累积十年等效质子位移损伤注量，针对高性能国产碳化硅结势垒肖特基二极管开展了10 MeV质子室温、无偏压辐照实验。测试了器件辐照前后的正向伏安特性、反向伏安特性、电容特性等电学特性，并通过深能级瞬态谱仪分析了辐照缺陷引入特点。结果显示：器件辐照后正向电性能稳定，较低反向安全电压下漏电流减小，注量增加后击穿电压严重退化；分析认为质子辐照导致势垒高度增加、辐照缺陷增加、载流子浓度降低。碳化硅肖特基功率器件的辐射损伤过程及机理研究，为其中能质子环境应用的评估验证提供了数据支撑。     

位移损伤效应对AlGaN/GaN HEMT器件的影响

对AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)分别进行3 MeV质子辐照和14 MeV中子辐照实验。3 MeV质子辐照下累积注量达到1×10¹⁵ cm^-2或14 MeV中子辐照下累积注量达到2×10¹³ cm^-2时，AlGaN/GaN HEMTs饱和漏电流下降，阈值电压正向漂移，峰值跨导降低。分别对3 MeV质子辐照和14 MeV中子辐照后的AlGaN/GaN HEMTs进行深能级瞬态谱(DLTS)测试。3 MeV质子辐照后缺陷浓度下降降低了反向栅极漏电流，而14 MeV中子辐照会导致缺陷浓度增加，使得反向栅极漏电流增加。根据质子和中子辐照后的缺陷能级均为(0.850±0.020) eV,推断缺陷类型均为氮间隙缺陷，质子辐照和中子辐照后氮间隙缺陷的位移导致的位移损伤效应是AlGaN/GaN HEMT器件电学性能退化的主要原因。     

柔性倒置赝型三结太阳电池高能质子辐射效应研究

为考察柔性薄膜GaInP/GaAs/InGaAs倒赝型三结（IMM3J）太阳电池的抗辐照性能,本文对其进行了1、3、5 MeV高能质子辐照。SRIM模拟结果表明,1、3、5 MeV质子辐照在IMM3J电池中造成均匀的位移损伤。光特性(LIV)结果表明,开路电压(Voc)、短路电流(Isc)和最大输出功率(Pmax)与质子注量呈对数退化规律。通过非电离能量损失（NIEL）将不同能量质子的注量转化为位移损伤剂量（DDD）,结果显示,Voc和Pmax与DDD呈对数退化规律,而Isc遵循两种不同的退化规律。光谱响应测试证明,GaInP子电池具有优异的抗辐照性能,3个子电池中InGaAs(10 eV)子电池的抗辐照性能最差。     

砷化镓体效应二极管中子辐照效应

本文研究了C、X和KQ等波段体效应二极管的中子辐照损伤效应。实验观察到中子辐照环境中体效应二极管低场电阻变大,工作电流和射频输出下降,VI特性变化,甚至使负阻特性消失。实验认为,器件性能退化是由中子辐照砷化镓材料的载流子去除效应引起的。     

基于GEANT4模拟分析不同能量质子在CMOS APS中的位移损伤研究

本文针对图像传感器在空间辐射环境中电学性能退化问题,采用蒙特卡罗方法基于互补金属氧化物半导体（CMOS）APS器件建立几何模型,开展不同能量质子与靶原子的相互作用过程研究。通过研究不同能量质子辐照下初级碰撞原子的能谱分布及平均位移损伤能量沉积随质子能量的变化,讨论不同能量质子及空间站轨道质子能谱下在CMOS APS器件中位移损伤的差异。计算结果表明：随着入射质子能量的增大,辐照产生的初级碰撞原子的最大能量及核反应产生的初级碰撞原子（PKA）对位移损伤能量沉积的贡献逐步增加;对于大于1 MeV的质子辐照,CMOS APS器件中位移损伤研究可忽略氧化层的影响;不同能量的质子和CREME96程序中空间站轨道质子能谱下器件中位移损伤能量沉积分布结果显示,35 MeV质子与该空间站轨道质子能谱在器件敏感区中产生的总位移损伤能量沉积相近。该工作对模拟空间站轨道质子辐照下电子器件暗电流增长研究中辐照实验的能量选择,提供了参考依据。     

不同能量和注量电子辐照对InP HEMT材料电学特性影响

本文采用气态源分子束外延法(GSMBE)制备了匹配型InGaAs/InAlAs磷化铟基高电子迁移率器件(InP HEMT)外延结构材料。针对该外延结构材料开展了不同能量和注量电子束辐照试验,测试了InP HEMT外延结构材料二维电子气（2DEG）辐照前后的电学特性,获得了辐照前后InP HEMT外延材料二维电子气浓度和迁移率归一化退化规律,分析了不同能量和注量电子束辐照对外延材料电学特性的影响。结果发现：在相同辐照注量2×1015 cm-2条件下,电子束辐照能量越高,InP HEMT外延材料电学特性退化越严重;15 MeV电子束辐照时,当辐照注量超过4×1014 cm-2后,外延材料电学特性开始明显退化,当电子辐照注量达到3×1015 cm-2后,外延材料电学特性退化趋势减弱趋于饱和。产生上述现象原因如下：电子束与材料晶格发生能量传递,产生非电离能损(NIEL),破坏晶格完整性,高能量电子束具有较高的非电离能损,会产生更多的位移损伤缺陷,导致InP HEMT外延材料电学特性更严重退化;InP HEMT外延材料电学特性主要受沟道InGaAs/InAlAs异质界面能带结构和各种散射过程影响,随着电子辐照注量的增加,位移损伤剂量增大,辐射损伤诱导缺陷会在沟道异质界面处集聚直至饱和。     

电荷耦合器件质子辐照效应研究

利用2×6 MV串列静电加速器提供的1~10 MeV质子,开展了线阵电荷耦合器件辐射损伤效应的模拟试验和测量,研制了加速器质子扩束扫描装置及电荷耦合器件辐射敏感参数测量系统,建立了电荷耦合器件质子辐射效应的模拟试验方法,分析了质子注量、质子能量、器件偏置等对器件电荷转移效率和暗电流的影响。模拟试验结果表明,电荷转移效率随辐照质子注量的增加而下降,暗电流随辐照质子注量的增加而增大,在1~10 MeV质子能量范围内,质子能量越低,电荷转移效率的降低与暗电流的增加越显著。     

空间实用GaAs/Ge太阳电池高能质子辐射效应研究

用能量为5—20MeV,注量为1×109—7×1013 cm-2的高能质子对空间实用GaAs/Ge太阳电池进行辐照,得到了其性能随质子能量和注量的变化关系,并进行了微观机理的讨论。研究结果表明,注量低于1×109 cm-2的质子辐照不会引起太阳电池性能的变化; 注量高于1×109 cm-2辐照,会引起太阳电池性能的改变。当注量为3×1012 cm-2时,5、10、20 MeV质子辐照引起太阳电池性能参数Isc衰降变化分别是原值的80%、86%、90%;Voc衰降变化分别为原值的82%、85%、88%;Pmax衰降的变化分别为原值的60%、64%、67%。当辐照注量为5×1013 cm-2时,5、10、20 MeV质子辐照引起Pmax衰降的变化分别为原值的26%、30%、36%。即随着注量的增加,太阳电池性能衰降增大;且相同注量的辐照,质子能量愈高,太阳电池性能衰降愈小。这与质子在电池材料中的能量损失和辐照引入的深能级Ec-0.41eV有关。     

质子辐射环境下PNP输入双极运算放大器辐照效应与退火特性

对不同偏置下的PNP输入双极运算放大器在3、10 MeV两种质子能量下的辐照效应进行了研究,并将质子辐射损伤效应与0.5Gy(Si)/s剂量率60 Coγ射线辐射损伤效应进行了比较,以探究质子和γ射线产生的辐射损伤之间的对应关系。结果表明,运放LM837对γ射线的敏感程度较10 MeV质子和3 MeV质子的小,然而其室温退火后的后损伤效应却更严重;相同等效总剂量条件下,10 MeV质子造成的损伤较3 MeV质子的高;质子辐射中器件的偏置条件对损伤影响不大。     

对改性晶圆上制备的PDSOI NMOS器件热载流子效应的全面认识

通过与常规器件的对比,本文详细研究了在硅离子注入改性晶圆上制备的PDSOI NMOS的热载流子诱导退化现象。理论分析和TCAD模拟结果表明,硅离子注入在埋氧层中引入的电子陷阱能够捕获注入的电子,并通过改变电场来影响氧化层的热载流子退化。在不同的应力条件下,其效果也有所不同。对改性器件施加热载流子应力时,改性器件的前栅和背栅之间存在着更明显的相互作用。同时,探讨了总剂量辐照对改性器件热载流子退化的影响。在改性器件中存在辐照增强的热载流子退化,高温退火只能部分消除这一影响。     

Calculated radiation damage effects of high energy proton beams

The radiation damage effects produced by 600–800 MeV protons include displacement cascades, helium and hydrogen gasses and heavy impurities. These effects were calculated using the nucleon meson transport code for the nuclear reactions produced by the protons and the theory of Lindhard et al. for the resultant damage energy. Aluminum was chosen as the primary metal in this study as it is being used in proton irradiation experiments. Results are also reported for copper, type 316 stainless steel, titanium, vanadium, and molybdenum.     

质子在氮化镓中产生位移损伤的Geant4模拟

材料受到辐照时产生的位移损伤会导致其微观结构发生变化,从而使其某些使用性能退化,影响其使用效率,减短其使用寿命。利用Geant4模拟了质子在氮化镓中的输运过程,计算了1、10、100、500 MeV能量质子入射氮化镓材料产生的初级撞出原子的种类、能量信息及离位原子数。获得了10 MeV质子产生的位移缺陷分布;计算了4种能量质子入射氮化镓材料产生的非电离能量损失(NIEL);研究了质子产生位移损伤过程的影响要素。研究发现,入射质子能量对其在材料中产生的初级撞出原子的种类、能量、离位原子数等信息有着非常大的影响;单位厚度所沉积NIEL随着入射质子能量的增大而减小;10 MeV质子入射氮化镓所产生的离位原子数随入射深度的增加而增加,但在超出其射程范围以外有一巨大回落;能量并不是影响质子与氮化镓靶材料相互作用的唯一因素。     

双极运算放大器的质子辐照效应

研究了ＯＰ－７双极运算放大器在８ＭｅＶ，１２ＭｅＶ两种能量下的质子辐照效应及损伤特性，并通过对电路内部的损伤分析，探讨了各敏感参数和的变化规律，结果表明，由位移损伤和电离辐射损伤引起的晶体管增益衰降是导致运算放大器各参数变化的主要原因。     

SiC器件单粒子效应敏感性分析

新一代航天器需要使用耐高压、功率损耗低的第3代半导体SiC器件，为了给器件选用和抗辐射设计提供依据，以SiC MOSFET和SiC二极管为对象，进行单粒子效应敏感性分析。重离子试验发现，在较低电压下，重离子会在SiC器件内部产生永久损伤，引起漏电流增加，甚至单粒子烧毁。SiC MOSFET和SiC二极管试验结果类似。试验结果表明SiC器件抗单粒子能力弱，与器件类型关系不大，与SiC材料有关。为了满足空间应用需求，有必要进一步开展SiC器件辐射效应机理、试验方法和器件加固技术等研究。     

The effect of proton radiation on a superluminescent diode (SLD)

The effect of proton radiation on a superluminescent diode (SLD) was studied, and the radiation damage from different energies was compared. The results reveal that the optical power degradation is greater from 350 KeV protons than from 1 MeV protons. Analysis of SLD characteristics after irradiation shows that the main effect of radiation is damage within the active region. At the same time, the results also show that quantum-well (QW) SLDs are far less sensitive to radiation than double-heterojunction (DH) SLDs.     

8T CMOS图像传感器质子辐照效应研究

本文对新型8T CMOS图像传感器进行了不同能量的质子辐照实验。由于质子辐照后同时引入电离总剂量(TID)效应和位移损伤剂量（DDD）效应,使得器件参数的退化机理复杂。为了具体区分导致不同参数退化的主要因素,采用等效TID法和等效DDD法。实验得出DDD效应主要引起暗电流的退化,而TID效应主要导致光谱响应的退化,实验结果为辐射环境下图像传感器的加固设计提供了理论依据。     

碳化硅与硅探测器辐射探测性能比较

碳化硅(SiC)材料因其禁带宽度大、晶体原子离位能高等物理特性,而被视为制作耐高温和抗辐射器件极具潜力的宽带隙半导体材料。本文采用Geant4模拟得到了30μm厚的SiC和Si材料对不同能量的电子、质子、α粒子以及X射线的响应,并对SiC和Si探测器器件的I-V特性和能谱测量结果进行了比较。仿真及试验结果证明,SiC粒子阻挡本领及X射线探测效率与Si探测器相当,SiC与Si探测器对带电粒子的能谱分辨率也没有明显差别。