化合物半导体器件的辐射效应

Gp 及NF 随 Фn 的关系
下图示出一个典型器件 Gp 及NF随Фn 的关系 适当选择栅压可以得到很高的耐中子辐射能力。
GaAs MESFET瞬态辐射效应
栅下耗尽区及附近的沟道区产 生电子空穴对，在电压作用下 形成瞬时辐射电流. 半绝缘衬底产生附加载流子， 从而形成衬底附加电流。 在掺铬的半绝缘衬底中，铬杂 质形成陷阱能级，陷阱俘获辐 射产生的电子，使衬底带负偏 压，它使沟道区变窄，因此漏 电电流突然下降，这种现象称 为“背栅效应”（见左图）。 瞬态辐射后，被俘获的电子逐 渐释放（几秒至几十秒），漏 电电流逐渐恢复到原始值（见 右图，X辐射，脉冲3ns， E=600KeV，γ`=3.3x1010(Si/s)
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LED的中子辐射效应
中子辐射使非辐射复合率 增加，而辐射复合率相对 影响较小，由此使发光效 率下降。 右图示出SiC LED的中子 辐射效应。在低工作电压 下，中子注量引起的 LED 损伤较小，在高工作电压 下，发光强度有所减小， 在高温下减小，更为明显。
GaAs基LED的中子辐射效应
近红外的GaAs LED在7x1015n/cm2辐照后，光 输出功率减少50%， GaAsP LED在1013n/cm2-1014n/cm2辐照后，光输 出功率减少50%，。 光输出功率的退化可用下式表示： PL（Ф）＝PL（0）/(1+KTФ)1.5 PL（0）-中子辐射前的光输出功率 PL（Ф）-中子辐射后的光输出功率 KT-中子辐射损伤常数
AlGaAs/GaAs HBT的结构及优点
异质结双极晶体管由 宽带隙（例如Eg=1.8ev） 的AlGaAs作发射极,窄 带隙的 GaAS(Eg=1.43ev)作基 极。在发射极—基极 处产生带隙差ΔEg。 （例如ΔEg=0.37ev）。 结构见右图。
异质结双极晶体管的电流放大系数 β
异质结双极晶体管的电流放大系数 β可用下式表示： β=(Ne/P=)(νnb/νpe)exp(ΔEg/KT) Ne，Pb分别为发射区及基区多子浓度 νnb，νpe分别为在发射区及基区的平均速度， 对于同质结双极晶体管，ΔEg=0，β主要由Ne/Pb决定, β要大，Ne必须 》Pb。 对于异质结双极晶体管，β主要由ΔEg决定，Pb可以》Ne， 仍可得到大的β。当Pb大了以后，基区电阻下降，同时Ne 减小，降低发射极电容，最终提高了晶体管的工作频率并 降低晶体管的低噪声。
右图给出PV及PC InSb 红外探测器经14MeV中 子辐照引起的效应。以 信号电压下降10%的中 子注量作为失效阈值， PV器件其值为5x1011 n/cm2 , PC器件其值为 9x1012n/cm2.
中子辐射照效应（2）
右图示出PV及PC InSb 红外探测器相对 信号电压同噪声之比 同中子流量的关系。 PC器件优于PV器件,原 因是PC为多子器件， PV为少子器件，少子 寿命的下降对PV影响 更大。
光电探测器件的结构及工特点
光电探测器有光伏 （PV）型及光导（PC）型。 PV型如右图，光子激发 PN结及其附近区域产生电 子—空穴对，电子向N区， 空穴则向P区，N区及P区 开路时二端产生电压。 光导探测器则是光直接 照射在半导体上产生光载 流子，从而改变探测器
光电探测器辐射效应的一般分析
中子辐射效应（1）
不同LED中子辐射损伤常数 KT
LED的总剂量电离辐射效应
下图示出二种 GaInAsP DH-LED的总剂 量电离辐射效应.二种器件的60C0γ总剂量电 离辐射效应基本接近,经106Gy总剂量电离辐 射,光功率输出稍有变化,具有很高的耐总剂 量电离辐能力.
半导体激光器（LD）的结构及工作特点
半导体激光器的结构类似于LED,同LED的自发 辐射产生较宽光谱的光不同，激光器的光由受激辐 射产生，其光谱窄，相位一致 ，有偏振方向，同 时光输功率大。 激光器的输出功率Pex 用下式表示： Pex= ηiVj[ln(1/R1R2)(I-Ith)]/ [2aiL-ln(1/R1R2)] 式中: ηi为量子效率, R1,R2为腔面反射率,L为腔长, ai为材料的吸收系数, Vj为正向压降,I为工作电流, Ith 为发光的阈值电流.
GaAs MESFET的DLTS谱
下图示出GaAs MESFET的DLTS谱随中子辐射注量的变 化。经Фn=3x1015n/cm2及Фn=1x1016n/cm2辐照以后，形成 了二个窄峰：U带（240K）及EL2（375K）。这些陷阱可 造成载流子的去除（ND）下降。
ND 同Фn 的关系
ND＝ND0[1－（β/ND0）Фn] ND0为辐射前的载流子浓度，β为损伤系 数,适当提高沟道外延层的掺杂浓度ND ， 可以提高GaAs MESFET的抗中子能力。
背栅瞬时辐射效应的加固措施
1．采用不掺铬的高纯GaAs 半绝缘衬底，消除陷阱能 级可以抑制背栅效应。 2．采用P型埋层（右上图） 屏蔽衬底电场对沟道的影 响，采用不掺杂的Al GaAs 缓冲层（弱P型）抑制背 栅的影响，其效果见右下 图。
GaAs MESFET集成电路的单离子效应
测试结果表明,GaAs MESFET IC对单离子 效应有较高的敏感性，一个IC的数据表明, 其误差为10-3误差/位· 每天。 测试发现未加固的MESFET其LET阈值很 低，小于1MeV cm2/g，这是一个比较低的 值。 加固方法：瞬态辐射加固的方法有利于 SEU的加固。
化合物半导体器件的 辐射效应
涉及的典型化合物半导体器件类型, 微电子器件: 单极器件—MESFET,双极器件—HBT 光电子器件: LED,LD,光探测器
微电子器件:
GaAs MESFET, 结构及输出特性
结构
输出特性
GaAs MESFET的工作原理、优点及用途
工作原理:多子器件(单极),电压控制,类似MOSFET,但输 入为金属同半导体接触的肖特基结 优点:由于、µ GaAs~6 µ Si, VGaAs(饱和)>2V Si（饱和） ，因此， GaAs MESFET的工作频率比同类
瞬态电离辐射效应（1）
右图示出低剂量率 下，量子阱激光器输 出功率明显增加，原 因：瞬态光电流增加 了有源区载流子注入， 此外电离辐射在量子 阱内产生的过量载流 子复合也发射光子， 二者对增加光输出功 率均有贡献。
瞬态电离辐射效应（2）
右图示出 量子阱激光器 在高剂量率下输出功率的 影响，此时输出功率明显 减小。其原因是：高剂量 率下在结构内产生过量载 流子密度达到或超过了半 导体掺杂浓度使载流子复 合率降低，同时引起折射 率下降，增加了腔内光损 耗。
Si器件高很多。 用途：自1976年问世以来发展迅速，从微波低噪声放大 器件到微波功率器件，从厘米波到毫米波器件，广 泛用于航天、通信、雷达、电子对抗等各种领域。
GaAs MESFET的总剂量电离辐射效应
由于不存在MOSFET那样的栅SiO2,因此总剂量电离辐射 效应影响较小，很多实验证实， GaAs MESFE的耐总剂 量电离辐射能力可以达到107rad以上。
LED工作原理
在LED上加一正向偏压，降低n区同p区 之间的势垒，产生少子注入。电子从n到p， 空穴从p到n，在p-n结附近数微米内在P区及 n区内均有电子同空穴的复合，产生自发辐 射—发光。直接带隙具有高的发光效率适 于制作LED，某些间接带隙半导体，可通 过适当掺杂形成发光复合中心也可提高发 光效率。
AlGaAs/GaAs HBT的中子辐射效应
中子辐射使 E-B 异质结内的复合增加，从 而使HBT的 hF 有所下降。下图示出 Al GaAs/GaAs HBT的 hF 同中子注量的关 系。 在 1.3x1014 /cm2 中子注量辐照后，高 hF 器件的 hF 降低了25%，而低 hF 器件hF 仅 降低了7%。结果反应器件具有较好的耐中 子辐射能力。
LED的发光效率
LED加正向电压时，辐 射复合过程同非辐射复合 过程处于竞争中. 量子效率 η=Rr/R=Τnr/(Τnr+Τr) 式中Rr，R分别为辐射复 合率及总复合率，Τnr为无 辐射复合寿命，Τr为辐射 复合寿命。
LED结构对抗辐射性能的影响
同质结LED，由于发光区较宽（p-n结附近5-10µm ）,中 子辐照后产生陷阱多，无辐射复合合寿命Τnr 显著降低， 量子效率η降低也大。 双异质结LED，例如下图，InGaP双异质结LED, 发光区 仅为本1.5µm，,中子辐照上述影响较小，因而抗辐射能力 有所提高。量子阱LED，发光区由极薄量子阱厚度 （100nm）决定，其抗辐射能力大大提高。 例子：GaAlAs量子阱LED,中子注量1.5x1013 /cm2 辐照后 光输出功率仅减少2.5%左右，中子注量1.5x1014 /cm2 辐照 后，光输出功率减少35%左右。
AlGaAs/GaAs HBT瞬态辐射效应
由于器件的基极宽度极小，器件同瞬态辐 射作用的有效敏感体积很小，即使在高剂 量率辐射时，产生的光电流也很小，因此， 器件具有良好的抗瞬态辐射能力。
光电子典型器件
半导体发光二极管（LED）的概述: 目前已生产的主要是用Ⅲ--Ⅴ族材料,包括 GaAs（红外900-940nm）; GaAsp(近红外-红 外630-900 nm）; Gap（红光700 nm，绿光560 nm）。 也可以用IV-IV族SiC(黄光)及 GaN(蓝光)
增益Gp同γ总剂量的关系
噪声系数N同γ总剂量的关系
GaAs MESFET的中子辐射效应
高能中子同GaAs晶格原子碰撞，使其离开平
衡格点—位移，产生“空位”及“间隙”，由此 引入缺陷中心和陷阱。它们起复合中心作用，使 少子寿命下降；吸收导带的自由载流子，使电阻 率增加；形成附加的电离散射中心，使迁移率降 低。
AlGaAs/GaAs HBT的总剂量辐射效应
由于不存在MOS管中的 栅SiO2，同时基区可采用 高掺杂浓度，因而 AlGaAs/GaAs HBT有很好 的总剂量加固特性。 右图示出 AlGaAs/GaAs HBT总剂量辐照前后器件 的电流增益 hFE 同集电极 电流密度的关系。辐照后 hF最坏从132下降至120， 而在小电流范围， hF 基本 不变。
不同结构LD的抗辐射能力的比 较
类似LED,同质结LD:如GaAs pn结LD,有源区面积大, 阈值电流大,衍射严重,发光效率低,抗辐射能力最低. 单异质结LD: 如GaAs(n)- GaAs(p)- GaAlAs(p+)GaAs(p+)单异质结LD,有源区光增益增加, 阈值电流降低, 抗辐射能力优于同质结LD. 双异质结LD: 如GaAs(n+)- GaAlAs(p)- GaAs(p+)GaAs(p+)双异质结LD, 有源区光增益更增加, 阈值电流大大 减小, 抗辐射能力又优于单异质结LD. 多量子阱LD:具有低的阈值电流, 有源区极薄,量子效率 很高,输出光功率大, 抗辐射能力最优.
半导体激光器的辐射效应
辐射对激光器的影响主要是阈值电流增 大，输出功率下降。 其机理同LED类似，辐射在半导体材料 中造成缺陷，使非辐射复合寿命下降，从 而使量子效率 下降，阈值电流上升。
中子辐射效应的例子
右图示出一个GaAs 基的中功率激光器 (Pout=200mW)的中子辐 射效应. 中子注量为 1013n/cm2时阈值电流 变化2%左右, 中子注量 为1014时阈值电流变化 35%, 中子注量为 1015n/cm2时阈值电流 变化50%.
总剂量电离辐射效应
总剂量电离辐射主要在探测器表面 及绝缘体产生损伤，例如表面及界面 态增加，绝缘体内产生被俘获的电 荷，导致半导体表面反型产生漏电电 流。 对于PC探测器上述影响较小，右上图示 出中波红外HgCdTe PC探测器的响应度同 总量的关系，经 1.5x104 Gy 总剂量 辐照后，器件灵敏稍有变化。 右下图示出短波红外 HgCdTe PV 探测器的 光响应度在 1x103 Gy 总剂量辐照前后的 频率响应曲线。虽然辐照后表面产生反 型，导致器件有效面积增加，增加了光响 应，但是其漏电电流增加了，这是不希望 的。