各位朋友好，大家好。

在上一期，我们针对于GaAs与InP的TRPL光谱测试进行了综合性的介绍。

在本期，开始我们GaAs与InP光谱测试系列的第五辑，也是本次系列专题的最后一辑：辐照损伤与光谱学研究。

因应国家重大战略需求和太空航天相关产业蓬勃发展，那么辐照损伤与光谱测试的重要性就会日益凸显。

一、引言

GaAs（砷化镓）和InP（磷化铟）是两种重要的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料，广泛应用于光电器件、微波器件和太阳能电池等领域。由于其优异的光电性能和较高的载流子迁移率，GaAs和InP在航天、通信和能源等领域具有重要的应用价值。然而，这些材料在复杂的辐照环境下（如空间辐射、高能粒子辐照等）会受到不同程度的损伤，影响其性能和可靠性。因此，研究GaAs和InP的辐照损伤机理以及通过光谱测试手段评估其损伤程度具有重要意义。

图1. 空间辐射环境

图2. 空间环境对航天器的影响

二、GaAs与InP的辐照损伤机制

（一）GaAs的辐照损伤

1. 电子辐照损伤

GaAs在电子辐照下会产生多种缺陷，这些缺陷会显著影响其电学性能。研究表明，1 MeV电子辐照会在GaAs中引入多个深能级缺陷，如Ec - 0.14 eV、Ec - 0.41 eV等电子陷阱，以及Ev + 0.13 eV、Ev + 0.29 eV等空穴陷阱。这些缺陷作为复合中心，会降低少数载流子的扩散长度和光生载流子的收集效率，从而导致器件性能下降。

2. 质子辐照损伤

质子辐照对GaAs的损伤更为显著。质子的非电离能量损失远大于电子，因此其对GaAs的辐照损伤更为严重。在质子辐照下，GaAs的开路电压、短路电流和最大输出功率均会显著下降，且损伤程度随辐照剂量和质子能量的增加而加剧。

图3. 粒子辐照产生的DD示意图

（二）InP的辐照损伤

1. 电子辐照损伤

InP在电子辐照下也会产生类似的深能级缺陷，这些缺陷会增加非辐射复合率，导致光致发光（PL）强度显著下降。例如，In0.22Ga0.78As/GaAs量子阱材料在1 MeV电子辐照下，PL峰强度随辐照注量的增加而显著减小，且发光峰中心波长会发生先红移后蓝移的现象。

2. 质子辐照损伤

质子辐照对InP的影响同样显著。与GaAs类似，质子辐照会在InP中引入大量缺陷，导致其电学性能和光学性能下降。研究表明，质子辐照后的InP器件在高温退火后部分性能可以恢复，但完全恢复较为困难。

图4. 电离辐照对 n 沟道 MOSFET 栅氧层的影响

三、光谱测试方法与应用

（一）光致发光（PL）光谱测试

1. GaAs的PL光谱测试

PL光谱测试是研究GaAs辐照损伤的重要手段。通过PL光谱可以观察到GaAs在辐照前后的发光强度和发光峰位的变化。例如，1 MeV电子辐照后的GaAs材料，其PL峰强度显著下降，且发光峰位会发生红移或蓝移。这些变化反映了辐照引入的缺陷对载流子复合过程的影响。

2. InP的PL光谱测试

对于InP材料，PL光谱测试同样可以揭示其辐照损伤特征。例如，InP在电子辐照后，PL峰强度显著下降，且发光峰位的变化反映了应变弛豫和原子互扩散的共同作用。

（二）光谱响应测试

1. GaAs的光谱响应测试

光谱响应测试可以评估GaAs器件在不同波长下的光电转换效率。研究表明，GaAs太阳电池在电子辐照后，其光谱响应在不同波段均会显著下降，特别是在长波段（如880 nm）的衰降更为明显。这表明辐照引入的缺陷主要影响了GaAs基区的光生载流子收集效率。

2. InP的光谱响应测试

对于InP器件，光谱响应测试同样可以揭示其辐照损伤特征。例如，InP太阳电池在质子辐照后，其光谱响应在短波段和长波段均会下降，且短波段的衰降更为显著。

图5. 空间辐照地面模拟与原位光谱测试工作站

 欢迎大家咨询我司的辐照模拟与原位光谱测试工作站，本工作站可以结合质子辐照，电子辐照，UV辐照以及高低温环境模拟，并且对辐照后的样品进行原位光谱测试，包括FTIR，PL，Raman等。

四、GaAs与InP辐照损伤的修复与缓解

（一）热退火修复

1. GaAs的热退火

研究表明，200°C的热退火可以显著修复GaAs在电子辐照后的损伤。例如，1 MeV电子辐照后的GaAs太阳电池在200°C真空退火15小时后，其短路电流和光谱响应可以部分恢复。这表明热退火可以促进缺陷的迁移和复合，从而降低缺陷浓度，恢复器件性能。

2. InP的热退火

对于InP材料，热退火同样可以部分修复其辐照损伤。例如，InP太阳电池在高温退火后，其光谱响应和电学性能可以部分恢复。

（二）材料优化与设计

1. GaAs的材料优化

通过优化GaAs的材料结构和制备工艺，可以提高其抗辐照性能。例如，采用高质量的外延生长技术和掺杂技术，可以减少GaAs中的初始缺陷浓度，从而提高其抗辐照能力。

2. InP的材料优化

对于InP材料，优化其晶体结构和生长工艺同样可以提高其抗辐照性能。例如，通过控制生长温度和生长速率，可以减少InP中的位错密度，从而降低辐照引入的缺陷浓度。

五、研究进展与未来方向

（一）研究进展

近年来，GaAs和InP的辐照损伤研究取得了显著进展。通过光谱测试手段，研究人员可以更准确地评估辐照引入的缺陷类型和浓度。此外，热退火和材料优化技术的发展也为修复和缓解辐照损伤提供了新的思路。

（二）未来方向

1. 多学科融合研究

未来，GaAs和InP的辐照损伤研究将涉及材料科学、物理学、化学和电子工程等多个学科领域的交叉融合。通过多学科的合作研究，可以更深入地理解辐照损伤机制，并开发出更高效的修复技术。

2. 新型辐照防护技术

开发新型的辐照防护技术是未来研究的重要方向。例如，通过设计具有高抗辐照能力的材料结构和涂层，可以显著提高GaAs和InP器件在复杂辐照环境下的可靠性。

3. 光谱测试技术的创新

随着光谱测试技术的不断发展，如高分辨率光谱测试和原位光谱测试，研究人员将能够更精准地评估GaAs和InP的辐照损伤特征。

六、结论

GaAs和InP作为重要的半导体材料，在电子和光电器件领域具有广泛的应用前景。然而，这些材料在辐照环境下会受到显著的损伤，影响其性能和可靠性。通过光谱测试手段，研究人员可以准确评估辐照引入的缺陷类型和浓度，并通过热退火和材料优化技术修复和缓解辐照损伤。未来，随着多学科融合研究的深入和新型辐照防护技术的发展，GaAs和InP的抗辐照性能有望得到进一步提升，从而推动其在航天、通信和能源等领域的广泛应用。