应变自组织InGaAs量子点光电材料的辐射损伤机理研究

InCaAs quantum dots has very useful application prospect in spatial infrared photoelectric devices due to its advantage of sensitivity to normal incidence, low dark current and long carrier lifetime. However, photoelectric devices is prone to degrade or even fail when positioned in spatial radiation environment. The three-dimensional carrier confinement and other features of quantum dots will doom to cause some new radiation effects. In this project, we will research the radiation effect and mechanism of InCaAs quantum dots by combining its process and test technology with the radiation mechanism of semiconductor devices..For strained self-assemble InGaAs/GaAs quantum dots materials, we will carry out different rays irradiation experiment to obtain how the optical and electrical characters of the devices change with different rays. And we can find out the sensitivity of devices to different rays. We will also analysis the radiation influence on carrier dynamic characters and radiation-induced defects of devices. We can get the correlation between the growth parameters, microstructure and surface passivation of the devices and radiation effects through radiation experiments on quantum dots with different process, and discover its radiaton damage mechanism..As a prospective fundamental research, this project is beneficial to the radiation process hardness and the structure optimization of the quantum dots devices and its space application.

InGaAs量子点光电材料具有对垂直入射光敏感、暗电流小、载流子寿命长等独特优势，在空间红外光电领域具有良好的应用前景。然而空间辐射环境易于诱发光电器件的性能退化甚至失效，而量子点材料的量子限制效应等特性也必然带来新的辐射效应。本项目将InGaAs量子点材料的制备与测试技术和半导体辐射物理理论相结合，研究材料的辐射损伤效应与机理。.针对应变自组织InGaAs/GaAs量子点材料，首先通过不同射线辐照试验，获得材料的光学、电学特性的辐射效应规律，确定材料对不同射线辐照的敏感性，分析辐射对材料的载流子动态特性和诱发缺陷的影响。然后制备不同InGaAs量子点微结构，并进行辐照试验，分析微结构的生长参数、结构和表面钝化与其辐射损伤的相关性，揭示辐射损伤机理。.此项研究具有一定的前瞻性，对于发展InGaAs量子点红外器件的抗辐射加固工艺、结构选择优化，以及推动其空间应用具有重要的研究意义与应用价值。

低维量子结构材料由于量子限制效应的存在使系统能级产生分立，具有不同于体材料的态密度函数，产生了许多独特的光学性质和电学性质；还可以通过调整组分、层厚和掺杂等所谓能带工程进行人工改性。随着空间技术的发展，卫星、飞船等航天器和空间载荷对电子器件性能提出了越来越高的要求，如激光器、太阳电池等光电器件的转换效率、耐辐照性能的提高以及重量的减轻。新型半导体材料与技术的发展，低维化合物半导体材料应用于激光器、光电探测器和高效太阳电池等光电器件势在必行。对于应用在空间载荷中的光电器件而言，空间高能粒子的辐射效应会导致器件性能衰退甚至失效，对航天器的长期可靠运行造成严重危害。对于InGaAs系低维量子结构的光电器件在应用于空间环境之前，也必须考虑其在轨任务周期中辐射环境带来的风险，并采取相应的抗辐射加固措施。而这些措施只能在充分了解InGaAs 系低维量子结构材料与器件辐射损伤效应与物理机制的前提下进行。同时，抗辐射加固措施也只有针对相应的损伤物理机制采取工艺和结构上的对策，才能取得好的效果。高能粒子入射引起的位移损伤被认为是光电器件性能退化的致命因素。. 本项目以不同制备工艺条件下生长的不同结构InGaAs量子阱、应变自组装InAs量子点外延薄膜材料为研究对象，开展了60Co-γ、电子、质子的一系列的辐照试验，研究了InGaAs系低维光电材料的辐射效应及损伤规律；分析了InGaAs/GaAs量子点材料在不同射线辐照下的损伤敏感性，分析了辐射对材料中载流子的动态特性与辐照缺陷的影响，建立了辐射损伤测试与表征方法。研究结果表明：（1）样品生长工艺条件对于其抗辐射性能的影响较大，MBE生长样品晶格完整度高，界面平整，量子限制效应强，抗辐射损伤能力更强。（2）从结构上来相同生长参数的多层量子阱辐射损伤比单层量子阱严重，并且与量子阱层数成正比；量子点材料的耐辐照性能明显优于量子阱；（3）不同结构的低维光电材料在等效位移损伤剂量下损伤规律不同；由于辐致缺陷能级在材料内部产生了辅助跃迁通道，包含低密度量子点的样品在低注量下出现了辐致发光增强的现象；（4）低维结构的InGaAs系三元化合物光电材料与器件在不同粒子不同能量辐照条件下的等效性有待进一步研究，体材料的NIEL理论值并不完全适用于其低维结构薄膜材料。