电子对半导体材料的影响实例解析

1.电子辐照对GaN 外延层光致发光谱的影响实例

在宽禁带半导体材料中，随着材料生长和器件工艺水平的不断发展，GaN半导体材料及器件的发展十分迅速，目前已经成为宽禁带半导体材料中的新星。在电子器件方面，利用GaN 材料，可以制备高频、大功率电子器件，有望在航空航天、高温辐射环境、雷达与通信等方面发挥重要作用。例如，在航空航天领域，高性能的军事飞行装备需要能够在高温下工作的传感器、电子控制系统以及功率电子器件等，以提高飞行的可靠性，GaN 电子器件将起着重要作用，此外由于它在高温工作时无须制冷器而大大简化电子系统，减轻飞行重量，一直被认为是一种理想的抗辐照半导体材料，被寄希望在航天、航空等辐照很强的极端恶劣的条件下工作。

梁李敏［12］等人研究了电子对GaN 材料的辐射损伤，辐照试验采用金属有机气相化学沉积法（MOCVD）生长的非故意掺杂N 型GaN 样品，对样品分别进行能量为10 MeV 和4 MeV，剂量为5×1016 e/cm2、1×1017 e/cm2、1.5×1017 e/cm2 的电子辐照，辐照之后采用He-Cd 激光器对辐照样品进行光致发光谱（PL）测量。图3-11 描述了不同能量、剂量的电子辐照导致GaN 材料光致发光谱的变化情况，图中横坐标代表材料受激光照射发射的光子能量，纵坐标代表发射光子的密度。

图3-1　1 不同剂量电子辐照样品的PL 谱图［12］

（a）4 MeV；（b）10 MeV

从上述辐照结果可以看出，高能电子辐照对GaN 外延层光致发光谱会产生严重影响。不同能量电子辐照的光致发光谱研究结果表明，电子辐照能量越大，GaN样品位于3.42 eV 处的带边发射峰强度越小，当辐照剂量增加到一定程度后，带边峰强度受辐照能量的影响减小，4 MeV 以上的高能电子可以使GaN 位于3.42 eV 处的带边发射强度降低到原来的约15%。位于2.2 eV 附近的黄光带强度随辐照能量的增加而增大，说明电子辐照能量越大，在样品中引入的点缺陷越多。

不同辐照剂量的光致发光谱研究结果表明，位于3.42 eV 处的带边峰强度随辐照剂量的增加而降低，黄光带归一化强度随辐照剂量的增加呈线性增加，辐照能量越大，黄光带归一化强度随辐照剂量的变化率越大。(www.xing528.com)

2.电子辐照对GaN 电学性能的影响实例

梁李敏［12］等人也研究了电子对GaN 材料电学性能的影响。GaN 材料和GaN 基器件由于其在蓝紫光和近紫外光谱范围内的高效光发射，成为近几十年内的研究热点。通过Al 和In 掺杂的GaN 基合金材料是直接带隙半导体材料，光子发射能量可以从1.9 eV 到6.2 eV。由于它们具有低的热产生率和高的击穿电场，它们在高温和高功率器件方面有着广泛的应用。注入隔离被广泛地应用于化合物半导体器件，如晶体管电路，或者说用来产生激光器中的电流约束。一般地，电绝缘是通过辐照引入的深能级缺陷产生的深能级对载流子的俘获来实现的，MeV 的粒子辐照被用来在GaN 材料中产生电学绝缘，因为MeV的粒子辐照可以在GaN 样品外延层中产生均匀的辐照缺陷。电子辐照可以在半导体材料中产生几百微米深度的均匀的点缺陷，因此研究电子辐照对GaN材料电学性能的影响对进一步研究GaN 基器件在辐照环境中的应用以及GaN的电学绝缘是很重要的。辐照采用同样的辐照样品，进行5×1016 e/cm2、1×1017 e/cm2、1.5×1017 e/cm2 三个剂量的电子辐照。具体如图3-12 所示。

图3-1　2 载流子浓度和迁移率随辐照剂量的变化［12］

（a）载流子浓度随辐照剂量的变化；（b）迁移率随辐照剂量的变化

不同辐照剂量对GaN 外延层的载流子浓度和迁移率的研究结果表明，辐照剂量越大，载流子浓度和迁移率越小。电子辐照在样品中引入均匀的点缺陷，点缺陷浓度随辐照剂量的增加而增加。辐照点缺陷可以在禁带中引入深能级，这些深能级可以俘获样品中的自由载流子，从而造成载流子浓度的降低。另外，迁移率与电子辐照在GaN 晶格中引入的辐照损伤有关，电子辐照剂量越大，在晶格中引入的辐照损伤就越大，对载流子散射的概率就越大，因此迁移率随辐照剂量的增加而减小。

综上可以看出，在电子能量大于4 MeV 时，其辐照剂量大于1017 e/cm2 时，对GaN 半导体材料的光致发光特性、载流子浓度和迁移率有较大影响，使GaN 半导体材料性能降级明显，可能严重影响半导体的电导率，进而影响GaN 半导体器件的电学特性。