GaN异质结中快重离子引起电离损伤的研究

GaN异质结以其优越的物理性能成为制备高温、高频、大功率电子器件的重要材料，在雷达、卫星通信以及核工业监控方面有很大的应用潜力。在空间辐射环境，宇宙射线中高能重离子成分在GaN异质结中造成的电离损伤是一个尚需澄清的问题。本项目拟利用兰州重离子加速器HIRFL提供的能量在（1-3）MeV/amu范围的Ne、Ar、Kr、Pb离子，研究在类似空间环境快重离子入射在GaN异质结中造成的潜径迹的微观结构，及其对材料电子学性能的影响。重点研究GaN外延膜及其异质结中连续径迹形成的电子能损阈值条件，径迹的结构对辐照温度的依赖关系，连续径迹的形成对材料载流子浓度和迁移率、漏电流、反向击穿电压等电子学性能的影响。为改善GaN异质结器件的辐照稳定性提供快重离子辐照损伤的实验依据。

氮化物半导体及其异质结以其优越的物理性能（直接带隙、高的载流子漂移饱和速率、高击穿电压等）成为制备高温、高频、大功率电子器件的重要材料，在雷达、卫星通信以及核工业监控方面有很大的应用潜力。在空间辐射环境，宇宙射线中高能重离子在穿过氮化物异质结的路径上通过强电离激发造成的损伤是一个需要澄清的问题。.本项目利用兰州重离子加速器HIRFL提供的能量在（1-3）MeV/amu范围的(40)Ar、(40)Ca、(129)Xe、(238)U离子，和近代物理研究所ECR离子源320kV高压平台提供的MeV的高电荷态Ne、Ke、Xe、Bi离子，研究了在类似实际辐射环境，快重离子在氮化物外延膜、异质结以及碳化硅衬底中造成的损伤的缺陷组态及其对材料电学、光学性能的影响。具体探讨了氮化物（GaN、AlGaN、InGaN）外延膜及其异质结（InGaN/GaN）中由于快重离子入射引起的晶格膨胀与应力、缺陷组态以及光、电学性能（电导率、载流子浓度和迁移率）随辐照剂量的关系；同时，研究了低速高电荷态重离子（SHCI）在氮化物表面的损伤特性，以及MeV的重离子在碳化硅（6H-SiC）中引起的晶格膨胀和晶体缺陷产生机理。.实验采用金属多层镀膜方法，预先在不同氮化物外延膜表面生长欧姆接触的电极。分别在液氮温度（77K）和室温进行了电学性能测试。结果说明，电学性能的主要参数（载流子浓度、迁移率等）对于快重离子辐照剂量和温度具有显著的依赖关系；辐照后的样品中，N空位增加、Ga空位复合。载流子的迁移率在样品中受极性光学散射机制、电离杂质散射机制及声学散射机制的综合作用，辐照后电离杂质散射机制的作用增大；辐照过程作为电子补偿杂质中心的Ga空位（VGa（3-），具有较强散射能力的电离杂质）通过复合作用显著减少。高分辨XRD和拉曼散射分析表明，氮化物外延膜受辐照后发生膨胀，导致薄膜压应力的增加，根据高分辨XRD和Raman谱获得的薄膜压应力数据相互符合。.本项目还系统地探讨了高电荷态重离子在GaN表面引起刻蚀行为与势能沉积的关系。通过对比快重离子与低速高电荷态重离子的效应，说明不同动能的高电荷态重离子都会导致氮化物的表面刻蚀效应，刻蚀深度主要依赖于势能沉积。基于高电荷态重离子势能估算，进一步整理了实验数据，结果表明对于GaN外延膜存在一个确定的势能沉积阈值，高于该阈值GaN表面发生显著的刻蚀。