1 南京大学 产业技术研究苏州总院, 江苏 苏州 215000
2 南京大学 金陵学院, 南京 210094
3 上海航天电子技术研究所, 上海 201109
4 上海航天控制技术研究所, 上海 201109
光敏晶体管是空间飞行器光电编码器中的重要组成部分, 对空间高能质子引起的位移损伤效应较为敏感。文章通过试验获得了光敏管的核心参数输出电流与质子能量、位移损伤剂量、工作状态、屏蔽材料的关系。在50、60、70、92 MeV四种能量的质子辐照下, 器件输出电流及光电转换效率最大下降80%。晶体管内部光敏二极管初始光电流的下降和晶体管电流增益的下降共同作用造成了输出电流随位移损伤剂量的增加不断衰减。不锈钢和三明治屏蔽结构对60 MeV能量质子几乎没有遮挡效果。通过提高输入光照强度, 增大初始光电流, 可以降低位移损伤效应的影响。另外, 采用PIN型光电二极管, 增大耗尽区面积, 也是可行的加固方法之一。
光敏晶体管 高能质子 位移损伤效应 非电离能损 phototransistor high energy proton displacement damage effect non-ionizing energy loss
1 中国原子能科学研究院国家原子能机构抗辐照应用技术创新中心，北京 102413
2 中国科学院半导体研究所光电子器件国家工程中心，北京 100083
3 中国科学院大学材料科学与光电技术学院，北京 100049
针对典型卫星轨道辐射环境下激光二极管（LD）的可靠性评估问题，对自研的975 nm GaAs基量子阱（QW）LD开展了10 MeV质子、3×108~3×1011 cm-2注量的地面模拟辐照实验。结合蒙特卡罗软件仿真模拟和数学分析方法，全面研究了器件位移损伤退化规律，以及不同注量、不同辐照缺陷对器件功率特性、电压特性和波长特性等关键参数的影响。结果显示，质子辐照会引入非辐射复合中心等缺陷并破坏界面结构，导致载流子浓度降低、光电限制能力下降，宏观上体现为器件阈值电流增加、输出功率下降、波长红移和单色性受损。同时，3×1010 cm-2以上注量的10 MeV质子等效位移损伤剂量辐照会对975 nm QW LD性能产生较大影响。
量子光学 量子阱激光二极管 质子 位移损伤效应 性能评估 光学学报
2023, 43(11): 1127001
1 中国科学院新疆理化技术研究所, 新疆乌鲁木齐 830011
2 中国科学院大学, 北京 100049
电荷耦合器件(CCD)是用于空间光电系统可见光成像的图像传感器, 在空间应用环境下受辐射效应作用导致 CCD性能退化甚至失效。对于 CCD空间辐射效应的地面模拟试验研究, 辐照试验中 CCD采用合适的偏置条件是分析其空间辐射损伤的必要措施。由于 CCD对质子辐照导致的电离总剂量效应和位移损伤效应均非常敏感, 因此针对 CCD空间应用面临的电离总剂量效应和位移损伤效应威胁, 开展不同辐照偏置下 CCD的辐射效应及损伤机理研究。针对一款国产埋沟 CCD器件, 开展不同偏置条件下的 γ射线和质子辐照试验, 获得了 CCD的暗电流、光谱响应等辐射敏感参数的电离总剂量效应, 位移损伤效应退化规律以及辐照偏置对 CCD辐射效应的影响机制。研究表明, γ射线辐照下 CCD的偏置产生重要影响, 质子辐照下没有明显的偏置效应。根据 CCD结构和辐照后的退火试验结果, 对 CCD的辐射效应损伤机理进行分析。
电荷耦合器件 电离总剂量效应 位移损伤效应 偏置条件 Charge-Coupled Devices total ionizing dose effect displacement damage effect bias conditions 太赫兹科学与电子信息学报
2022, 20(9): 915
1 湘潭大学材料科学与工程学院, 湖南湘潭 411105
2 西北核技术研究所, 陕西西安 710024
基于第六代 650 V碳化硅结型肖特基二极管 (SiC JBS Diode)和第三代 900 V碳化硅场效应晶体管 (SiC MOSFET), 开展 SiC功率器件的单粒子效应、总剂量效应和位移损伤效应研究。 20~80 MeV质子单粒子效应实验中, SiC功率器件发生单粒子烧毁 (SEB)时伴随着波浪形脉冲电流的产生, 辐照后 SEB器件的击穿特性完全丧失。 SiC功率器件发生 SEB时的累积质子注量随偏置电压的增大而减小。利用计算机辅助设计工具 (TCAD)开展 SiC MOSFET的单粒子效应仿真, 结果表明, 重离子从源极入射器件时, 具有更短的 SEB发生时间和更低的 SEB阈值电压。栅 -源拐角和衬底 -外延层交界处为 SiC MOSFET的 SEB敏感区域, 强电场强度和高电流密度的同时存在导致敏感区域产生过高的晶格温度。 SiC MOSFET在栅压偏置 (UGS =3 V,UDS =0 V)下开展钴源总剂量效应实验, 相比于漏压偏置 (UGS =0 V,UDS =300 V)和零压偏置 (UGS =UDS =0 V), 出现更严重的电学性能退化。利用中带电压法分析发现, 栅极偏置下氧化层内的垂直电场提升了陷阱电荷的生成率, 加剧了阈值电压的退化。中子位移损伤会导致 SiC JBS二极管的正向电流和反向电流减小。在漏极偏置下进行中子位移损伤效应实验, SiC MOSFET的电学性能退化最严重。该研究为空间用 SiC器件的辐射效应机理及抗辐射加固研究提供了一定的参考和支撑。
碳化硅结型肖特基二极管 碳化硅场效应晶体管 单粒子烧毁 计算机辅助设计 总剂量效应 位移损伤效应 SiC Junction Barrier Schottky diode Silicon Carbide Metal-Oxide Semiconductor Field-Ef Single Event Burnout Technology Computer Aided Design total dose effect displacement damage effect 太赫兹科学与电子信息学报
2022, 20(9): 884
1 中国科学院新疆理化技术研究所 特殊环境功能材料与器件重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830011
2 中国科学院大学，北京 100049
3 北京理工大学 光电学院，北京 100081
为了探究850 nm高速垂直腔面发射激光器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，VCSEL）在空间辐射环境中的退化规律与机制，开展了10 MeV质子和γ-射线辐照实验，获得了光功率和阈值电流退化规律，分析了辐射导致VCSEL参数退化的物理机理，此外，还开展了236 h的电注入退火研究。研究结果表明：VCSEL对γ射线导致的总剂量效应不敏感，且在一定剂量范围内光电特性由于沉积能量促进了量子阱界面附近的晶体有序而产生了一定程度的恢复：但是在质子辐照下，VCSEL的阈值电流和外量子效率发生了不同程度的退化，计算获得阈值电流损伤因子为1.468×10−15 cm2/p。经过20 mA注入增强退火后，阈值电流恢复了20%，25 mA注入电流下，光输出功率恢复了10%。阈值电流和外量子效率的退化归因于质子辐照引入的非辐射复合中心。这些实验结果为VCSEL及包含VCSEL的数据通信与仪器的系统在恶劣空间辐射环境下的应用提供支持。
VCSEL 辐射效应 位移损伤 退火 VCSEL radiation effects displacement damage annealing 红外与激光工程
2022, 51(5): 20210326
1 西安高科技研究所, 陕西 西安 710024
2 西北核技术研究所强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室, 陕西 西安 710024
3 湘潭大学材料科学与工程学院, 湖南 湘潭 411105
以4T PPD(4个晶体管的钳位光电二极管)型CMOS图像传感器为研究对象,开展注量为1×10 11,3×10 11,5×10 11,7×10 11,1×10 12 neutron/cm 2的中子辐照下损伤模拟的研究,建立CMOS图像传感器的器件模型和不同注量中子辐照后位移损伤的缺陷模型;采用相关双采样技术测量由亮到暗连续两帧时序脉冲下浮置节点(FD)的输出值,建立测量电荷转移损失(CTI)的模拟方法;获得CTI随中子辐照注量的变化关系,分析CTI随中子累积注量的变化规律,结合中子辐照效应实验验证中子辐照诱发CTI退化的理论模拟计算结果的有效性。研究结果表明,CMOS图像传感器的位移损伤敏感区域为空间电荷区域,中子辐照后会在空间电荷区中引入位移损伤缺陷,这些缺陷通过不断俘获和发射载流子,使信号电荷不能快速转移到FD中,造成电荷转移损失;电荷转移损失随着中子辐照注量的增加而增大,二者在一定范围内呈线性关系。
光学器件 CMOS图像传感器 电荷转移损失 位移损伤 数值模拟 实验验证
1 中国科学院 特殊环境功能材料与器件重点实验室, 新疆电子信息材料与器件重点实验室,中国科学院 新疆理化技术研究所, 新疆 乌鲁木齐 830011
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 新疆大学 物理科学与技术学院, 新疆 乌鲁木齐 830046
4 中国科学院 苏州纳米技术与纳米仿生研究所, 江苏 苏州 215123
为研究键合四结太阳电池中In0.53Ga0.47As子电池在高注量电子辐照下的性能退化规律与机制, 对In0.53Ga0.47As单结太阳电池进行了高注量1 MeV电子辐照试验, 并结合等效位移损伤剂量理论和数值拟合方法对电池性能的退化进行了分析讨论。结果表明, 在1 MeV电子辐照下, 非电离能损(NIEL)值在电池活性区内随着电子入射深度的增加不断增大; 开路电压Voc、短路电流Isc等重要I-V特性参数随着辐照注量的增加均发生了不同程度的退化, 注量达到6×1016 e/cm2时, 电池光电转化效率为零, 电池失效。光谱响应方面, 注量小于4×1016 e/cm2时, 长波区域退化程度明显比短波区域严重; 注量大于4×1016 e/cm2时, 长波区域退化程度与短波区域基本相同。辐照位移损伤引起的光生少数载流子扩散长度减小和载流子去除效应是导致电池性能退化的主要原因。
InGaAs单结太阳电池 高注量电子 位移损伤 载流子寿命 载流子去除效应 InGaAs single junction solar cell high fluence electron displacement damage carrier lifetime carrier removal effect
1 中国科学院 特殊环境功能材料与器件重点试验室, 新疆电子信息材料与器件重点试验室, 中国科学院 新疆理化技术研究所, 新疆 乌鲁木齐 830011
2 中国科学院大学, 北京 100049
应用于空间的图像传感器在辐射影响下产生的热像素严重影响空间光电探测性能, 本文通过质子辐照试验研究了热像素的产生和变化规律。首先, 使用3 MeV和10 MeV两种能量的质子对图像传感器进行辐照, 分析不同能量、不同注量的质子辐照产生热像素的性质; 其次, 再对辐照后的器件进行退火试验, 分析热像素的退火规律。对于相同注量辐照, 3 MeV质子辐照下热像素产生率大约是10 MeV质子辐照下的2.3倍, 但是10 MeV质子辐照产生热像素的灰度值高于3 MeV质子; 辐照过程中热像素的数量都是随着注量的增加线性增加。退火过程中, 热像素数量都不断减少, 而3 MeV质子辐照产生的热像素相比于10 MeV质子, 退火更为显著。结果表明, 质子辐照下每个质子与器件之间的作用过程及产生缺陷的机制是相对独立的, 不同质子的作用过程之间没有相关性。不同能量的质子辐照产生缺陷的类型不同, 导致热像素具有不同特性。
CMOS图像传感器 热像素 质子辐照 位移损伤 暗信号 CMOS image sensor hot-pixels proton irradiation displacement damage dark signal
