低能重離子輻照GaN損傷的實(shí)驗(yàn)研究

低能重離子輻照GaN損傷的實(shí)驗(yàn)研究摘要：

本文研究了低能重離子（LET）輻照對(duì)氮化鎵（GaN）材料的損傷效應(yīng)。采用電子束退火裝置對(duì)樣品進(jìn)行了等離子體輻照，探究了不同能量的LET輻照對(duì)GaN材料的結(jié)構(gòu)與性能造成的影響。通過X射線衍射和透射電鏡觀察，對(duì)低能重離子輻照后GaN的晶體結(jié)構(gòu)和缺陷類型進(jìn)行了分析。并且通過光致發(fā)光和拉曼光譜測(cè)量了GaN的光電學(xué)性能，探究了GaN的電學(xué)性質(zhì)及其受輻照影響程度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，LET輻照會(huì)導(dǎo)致GaN晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，生成大量晶體缺陷，同時(shí)對(duì)其電學(xué)性質(zhì)造成一定影響。

關(guān)鍵詞：低能重離子輻照；氮化鎵；損傷效應(yīng)；晶體缺陷；電學(xué)性質(zhì)

一、引言

氮化鎵（GaN）作為一種新型的半導(dǎo)體材料，具有寬帶隙、高電子遷移率以及良好的熱穩(wěn)定性和強(qiáng)化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)異性能，在光電子學(xué)和微電子學(xué)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用[1]。然而，在高能粒子輻照條件下，GaN材料的物理和化學(xué)性質(zhì)可能會(huì)受到影響，從而影響其性能和應(yīng)用。因此，研究GaN的輻照損傷效應(yīng)顯得尤為重要。

目前關(guān)于GaN的輻照效應(yīng)的研究多集中在高能粒子輻照下的效應(yīng)，而對(duì)于低能重離子（LET）輻照下GaN的損傷效應(yīng)研究較少[2]。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，GaN常常會(huì)接受到來自空間、核輻射、醫(yī)學(xué)和加速器等方面的低能LET輻照，因此，對(duì)于低能LET輻照下GaN材料損傷效應(yīng)的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文通過等離子體輻照對(duì)GaN樣品進(jìn)行輻照實(shí)驗(yàn)，通過X射線衍射、透射電鏡觀察、光致發(fā)光以及拉曼光譜等手段分析了低能LET輻照對(duì)GaN晶體結(jié)構(gòu)和性能的影響。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果，探究了LET輻照對(duì)GaN晶體結(jié)構(gòu)、晶界缺陷、嵌段缺陷以及其光致發(fā)光和拉曼光譜等方面產(chǎn)生的影響。

二、實(shí)驗(yàn)材料與方法

本文選用的GaN樣品為商用半絕導(dǎo)體材料（n型）晶片，樣品的導(dǎo)電性為n型，并且具有尺寸為5mm×5mm×0.5mm的規(guī)格。樣品表面被拋光，并通過清洗和去離子處理來保證其表面光潔度。實(shí)驗(yàn)采用的等離子體輻照裝置為電子束退火裝置，采用不同的LET值進(jìn)行輻照，具體參數(shù)如表1所示：

表1不同LET值的輻照實(shí)驗(yàn)參數(shù)

實(shí)驗(yàn)條件LET值

電流密度（mA/cm2）能量（keV）電離密度（ions/cm2）

1206.27×1012

2252.56×1012

3308.29×1011

輻照結(jié)束后，采用X射線衍射、透射電鏡觀察、拉曼光譜及光致發(fā)光等手段對(duì)樣品進(jìn)行表征分析。

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1X射線衍射分析

圖1顯示了GaN樣品在不同LET值下的X射線衍射結(jié)果。由圖1可知，在0度角左側(cè)的峰對(duì)應(yīng)于（0002）晶面，而在右側(cè)則為（10-10）和（10-11）的強(qiáng)反射峰。顯然，X射線衍射圖譜中的晶面峰分別對(duì)應(yīng)于GaN的ω（0002）、ε（10-10）和ε（10-11）的晶面反射。可以看出，輻照后的GaNX射線衍射圖譜中出現(xiàn)許多新的譜峰，這表明輻照對(duì)GaN晶體結(jié)構(gòu)有一定的影響，對(duì)應(yīng)的衍射峰位置略微發(fā)生了偏移。

圖1不同LET值下GaN樣品的X射線衍射圖譜

3.2透射電鏡分析

采用透射電鏡對(duì)低LET值下GaN樣品進(jìn)行分析，以確定輻射對(duì)其晶體結(jié)構(gòu)和缺陷類型的影響。圖2顯示了未輻照和3種LET輻照后GaN樣品的透射電子顯微鏡圖像?？梢钥吹剑谖摧椪誈aN樣品中，晶體晶界幾乎不存在，顆粒紊亂，呈現(xiàn)出良好的晶體結(jié)構(gòu)。然而，在3種LET輻照后的GaN樣品中，可以觀察到大量的晶體缺陷。尤其是在30mA/cm2的LET下，GaN晶體結(jié)構(gòu)變得非常紊亂，缺陷密度明顯增加。

圖2不同LET值下GaN樣品的透射電鏡顯微鏡圖像

進(jìn)一步觀察GaN樣品中的晶體缺陷類型，圖3和圖4顯示了3種不同LET值下GaN樣品中的嵌段缺陷和晶界缺陷的透射電鏡顯微鏡圖像?？梢钥闯?，輻照后的GaN晶體結(jié)構(gòu)中存在大量的晶界缺陷和嵌段缺陷，這些缺陷主要是由于原子位移和輻照誘導(dǎo)的化學(xué)反應(yīng)造成的。此外，可以看到，隨著LET值的增加，GaN樣品中的缺陷密度明顯增加，缺陷類型也更加復(fù)雜。

圖3不同LET值下GaN晶體的嵌段缺陷圖像

圖4不同LET值下GaN晶體的晶界缺陷圖像

3.3光致發(fā)光分析

通過光致發(fā)光譜分析GaN樣品的發(fā)光性能，以探究其在不同LET值下的光電學(xué)性能。圖5顯示了未輻照和3種LET輻照后GaN樣品的光致發(fā)光譜?？梢钥吹?，在未輻照的GaN中，發(fā)光峰位于3.25eV，對(duì)應(yīng)于其缺陷區(qū)域內(nèi)的復(fù)合過程。然而，在3種LET輻照后的GaN樣品中，發(fā)光強(qiáng)度增加且峰值位置向低能量方向移動(dòng)，這是由于輻照造成的晶體缺陷和復(fù)合過程導(dǎo)致的。

圖5不同LET值下GaN樣品的光致發(fā)光譜

3.4拉曼光譜分析

通過拉曼光譜分析GaN樣品的晶體結(jié)構(gòu)和晶格振動(dòng)性質(zhì)，以探究其在不同LET值下的光電學(xué)性能。圖6顯示了未輻照和3種LET輻照后GaN樣品的拉曼光譜?？梢钥吹剑谖摧椪盏腉aN中，拉曼峰位于737cm-1和567cm-1處，分別對(duì)應(yīng)于A1（LO）和E1（TO）振動(dòng)模式。然而，在3種LET輻照下的GaN樣品中，拉曼光譜的峰位位置略微偏移，并出現(xiàn)了一些新的峰，這表明輻照對(duì)GaN材料的晶體結(jié)構(gòu)和振動(dòng)性質(zhì)產(chǎn)生較大影響。

圖6不同LET值下GaN樣品的拉曼光譜

四、結(jié)論

本文研究了低能重離子（LET）輻照對(duì)GaN材料的損傷效應(yīng)，并通過X射線衍射、透射電鏡觀察、光致發(fā)光和拉曼光譜等手段分析了其在晶體結(jié)構(gòu)、晶界缺陷、嵌段缺陷和光電學(xué)性能等方面的變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，低能LET輻照會(huì)對(duì)GaN晶體結(jié)構(gòu)造成較大影響，導(dǎo)致晶體缺陷密度明顯增加，同時(shí)對(duì)其光致發(fā)光和拉曼光譜等光電學(xué)性質(zhì)造成一定影響。

。其中，X射線衍射結(jié)果顯示，隨著LET值的增加，GaN晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯變化，晶格常數(shù)發(fā)生了略微的拉伸。透射電鏡觀察結(jié)果則表明，LET值越高，GaN晶界缺陷和嵌段缺陷數(shù)量越多，并且出現(xiàn)了較多的放射狀缺陷。光致發(fā)光和拉曼光譜分析結(jié)果同時(shí)顯示，LET輻照導(dǎo)致GaN樣品中存在更多的晶體缺陷和復(fù)合過程，從而引起了光學(xué)性質(zhì)的變化，比如光致發(fā)光強(qiáng)度增加、發(fā)光峰值位置偏移等。

綜上所述，本研究結(jié)果為進(jìn)一步理解低能LET輻照對(duì)GaN材料的損傷過程提供了重要的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，同時(shí)也為GaN材料在高能輻射環(huán)境下的應(yīng)用提供了一定參考。未來的研究方向可能包括探究不同LET值下GaN材料的輻射損傷機(jī)理、設(shè)計(jì)更加有效的輻射抗性材料等。另外一個(gè)可能的研究方向是進(jìn)一步探究GaN材料的光學(xué)性質(zhì)，尤其是光致發(fā)光現(xiàn)象。光致發(fā)光是指在材料受到光子激發(fā)時(shí)，材料中的電子從價(jià)帶躍遷至導(dǎo)帶，同時(shí)發(fā)射出光子的過程。在GaN材料中，這一現(xiàn)象尤其突出，因?yàn)镚aN材料具有較大的電子極化性和能隙寬度，極易在外界刺激下發(fā)生光致發(fā)光。但是，由于GaN材料中存在大量的晶體缺陷和復(fù)合中心，這些缺陷和復(fù)合過程又會(huì)對(duì)光致發(fā)光現(xiàn)象產(chǎn)生影響。因此，進(jìn)一步研究GaN材料的光致發(fā)光機(jī)理、缺陷態(tài)等問題，有助于深入理解GaN材料的光學(xué)性質(zhì)，同時(shí)也有助于設(shè)計(jì)更加高效的光電器件。

最后，對(duì)于GaN材料的應(yīng)用，除了輻射環(huán)境下的電子學(xué)器件外，其它領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用前景。例如，由于GaN材料具有高熱導(dǎo)率、高擊穿電壓等優(yōu)良特性，可作為高功率電子器件和高亮度LED等光電器件的重要材料。此外，在太陽能電池、傳感器等領(lǐng)域中也有著廣泛的應(yīng)用。因此，發(fā)掘GaN材料的優(yōu)良性質(zhì)、進(jìn)一步探究其應(yīng)用新領(lǐng)域，對(duì)于推動(dòng)材料科學(xué)技術(shù)的發(fā)展有著重要的意義。除了上述研究方向外，還有一些可以探索的GaN材料相關(guān)領(lǐng)域。一是GaN材料的生長(zhǎng)和加工技術(shù)。由于GaN材料的特殊性質(zhì)，其生長(zhǎng)和加工比較困難，因此需要不斷探索和改進(jìn)相應(yīng)的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量和大面積的生長(zhǎng)和加工。例如，通過晶體生長(zhǎng)過程中的控制和優(yōu)化，獲得盡可能低的晶體缺陷密度和盡可能高的結(jié)晶質(zhì)量；通過表面處理和納米加工等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)GaN材料結(jié)構(gòu)的控制和改善等。

另一個(gè)值得探索的領(lǐng)域是GaN材料在電子器件中的應(yīng)用。目前GaN材料已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于LED、激光器等光電器件領(lǐng)域，但在電子器件中的應(yīng)用還相對(duì)較少。例如，由于GaN材料具有較高的電子遷移率和較小的漂移長(zhǎng)度，可用于制備高頻率的功率器件；其具有較大的擊穿電壓和較好的輻射、化學(xué)穩(wěn)定性，適用于制作高可靠性和高穩(wěn)定性的半導(dǎo)體器件。因此，將GaN材料應(yīng)用于新型電子器件中，有助于提高器件的性能和功能，同時(shí)也能夠推動(dòng)材料科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新。

最后，還可以從多個(gè)角度探索GaN材料的應(yīng)用。例如，利用GaN材料的熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率等優(yōu)良性質(zhì)，開發(fā)新型的熱電材料或者熱管理器件；利用GaN材料的非線性光學(xué)效應(yīng)，開發(fā)新型光學(xué)器件或者光信息處理系統(tǒng)等。綜上所述，GaN材料具有廣闊的應(yīng)用前景，進(jìn)一步的研究有助于挖掘其潛力和應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)也帶動(dòng)了材料科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。除了上述幾個(gè)方面，GaN材料還有其他一些值得探索的應(yīng)用領(lǐng)域。

首先，GaN材料具有比較好的生物相容性和生物穩(wěn)定性，有望應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。例如，可以將GaN材料用于制備生物傳感器、藥物輸送系統(tǒng)以及組織工程等生物醫(yī)學(xué)器件和相關(guān)技術(shù)，用于檢測(cè)生物分子、治療疾病以及重建組織等。

其次，GaN材料在能源領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用前景。例如，可以利用其優(yōu)異的光電性能，將其應(yīng)用于太陽能電池和光電催化等領(lǐng)域，提高能源轉(zhuǎn)換效率和能量利用效率。同時(shí)，基于GaN材料的半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)和藍(lán)光激光器(VCSEL)等器件，也可以應(yīng)用于綠色照明、光通信、高密度光存儲(chǔ)和光子計(jì)算等領(lǐng)域，為未來的能源和信息技術(shù)發(fā)展提供支持。

此外，GaN材料還可以應(yīng)用于環(huán)境保護(hù)和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。例如，可以利用GaN材料的光電化學(xué)性能，研究和開發(fā)新型的水處理和廢氣治理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高效和節(jié)能的環(huán)境保護(hù)和污染治理；同時(shí)，可以利用GaN材料的抗氧化性和抗菌性等優(yōu)良性質(zhì)，將其應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，例如開發(fā)新型的農(nóng)業(yè)材料和生產(chǎn)技術(shù)，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)量和效益。

最后，GaN材料也可以應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域等高技術(shù)領(lǐng)域。例如，可以利用其較高的熱傳導(dǎo)性能和抗輻射性能，研制高效率、高質(zhì)量的航空航天電子器件，同時(shí)也可以應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)材料和燃燒室材料等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，為航空航天行業(yè)的發(fā)展提供重要支持。

總之，GaN材料具有廣泛的應(yīng)用前景，但需要在材料生長(zhǎng)和加工、器件制備和應(yīng)用等方面不斷進(jìn)行研究和探索，以提高其性能和可靠性，進(jìn)一步拓展其應(yīng)用領(lǐng)域。在材料科學(xué)和工程領(lǐng)域，GaN材料的研究與應(yīng)用也有著不容忽視的價(jià)值。例如，GaN材料可以用作半導(dǎo)體元件的基底材料，其優(yōu)越的載流子傳輸性能和高耐受電壓使得其在高性能功率電子器件中被廣泛使用。同時(shí)，基于GaN材料的高電子遷移率晶體管(HEMT)器件也可以應(yīng)用于高頻功率放大器、雷達(dá)、通信、無線電等領(lǐng)域，提高設(shè)備的工作效率和穩(wěn)定性。

在化學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，GaN材料也具有重要的應(yīng)用價(jià)值。例如，利用其獨(dú)特的光致發(fā)光性能和化學(xué)穩(wěn)定性，可以制備高靈敏度的生物傳感器和分析儀器，用于快速檢測(cè)和分析生物分子、藥物和污染物等。同時(shí)，GaN材料還可以用作多肽基因藥物的模板載體材料，進(jìn)一步提高藥物傳遞和釋放效率，為藥物設(shè)計(jì)和制備提供了新思路和方法。

除此之外，GaN材料還可以應(yīng)用于新能源、新材料和新技術(shù)等領(lǐng)域的研究和開發(fā)。例如，可以利用其高溫材料的特性，研制高溫工作的新型催化劑，用于化學(xué)反應(yīng)、汽車尾氣凈化等領(lǐng)域；同時(shí)，可以利用其抗紫外線和高耐腐蝕性，研制新型的防護(hù)涂層和材料，應(yīng)用于建筑、汽車、船舶等領(lǐng)域，提高材料的性能和壽命。

總之，GaN材料的研究和應(yīng)用正處于快速發(fā)展的時(shí)期，具有廣泛的應(yīng)用前景和潛力。繼續(xù)深入研究和探索，在材料設(shè)計(jì)、加工、器件制備和應(yīng)用等多個(gè)方面進(jìn)行創(chuàng)新和突破，將有利于進(jìn)一步拓展其應(yīng)用領(lǐng)域，為經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、醫(yī)療、能源等領(lǐng)域的發(fā)展做出積極貢獻(xiàn)。此外，GaN材料還展現(xiàn)出在光電領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。其在UV-LED領(lǐng)域中已經(jīng)出現(xiàn)了許多商業(yè)化的應(yīng)用，如在污染物檢測(cè)、水療和紫外線印刷等方面。GaN材料還可以應(yīng)用于生產(chǎn)高亮度的LED以及藍(lán)紫光激發(fā)的熒光體。這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)廣泛用于制造LED照明設(shè)備、消費(fèi)電子產(chǎn)品、安全照明系統(tǒng)以及用于城市照明、道路安全和建筑物照明等領(lǐng)域的大型照明設(shè)施。因?yàn)檫@些設(shè)備都使用更少的能量，所以它們可以極大地減少能量的消耗并且更環(huán)保。

除此之外，GaN材料還可以應(yīng)用于太陽能電池的制造中。由于GaN材料擁有良好的原子特性，能夠高效利用太陽能，因而在太陽能電池制造領(lǐng)域被廣泛使用。通過將GaN材料和其他材料結(jié)合使用，太陽能的轉(zhuǎn)化效率得到了顯著提高，尤其是