各位好，本期是我们 材料与器件辐照损伤研究的意义与光谱学方法的应用系列文章的第三辑：InGaN材料的辐照损伤机理及光谱学研究。

在本期中，我们将会在基于目前发表的公开文献为基础，介绍InGaN的辐照损失机理和原位光谱测试。

摘要

InGaN材料因其优异的光电特性在LED、激光器等光电器件中具有广泛应用。然而，在高能粒子辐照环境下，InGaN材料的结构和光电性能会受到显著影响。本文综述了InGaN材料在辐照损伤下的微观结构变化及其对光电性能的影响，特别关注拉曼光谱（Raman）、光致发光光谱（PL）和时间分辨光致发光光谱（TRPL）等光谱学方法在研究中的应用。通过这些光谱学手段，可以有效揭示辐照引入的缺陷类型、载流子浓度变化以及载流子动力学行为，为理解和改善InGaN材料的抗辐照性能提供了重要依据。

图1. 109cm-2注量的 1.2 MeV 硅离子入射(a)n 型硅与(b)p 型硅并在两种温度下退火 30 分钟后的深能级瞬态谱

引言

InGaN（铟镓氮）材料是一种重要的Ⅲ-V族化合物半导体，因其在可见光波段的宽带隙特性而被广泛应用于蓝光LED、绿色LED和激光器等光电器件中。随着光电器件在极端环境下的应用需求增加，如核反应堆、太空探测等领域，InGaN材料在高能粒子辐照下的稳定性成为研究热点。高能粒子辐照会导致InGaN晶体结构的损伤，引入缺陷态，进而影响其光电性能。因此，深入研究InGaN材料的辐照损伤机理对于提高其在极端环境下的应用性能具有重要意义。

近年来，光谱学方法在材料辐照损伤研究中得到了广泛应用。拉曼光谱、光致发光光谱（PL）和时间分辨光致发光光谱（TRPL）等技术能够提供关于材料微观结构、缺陷态密度和载流子动力学的丰富信息。本文将重点探讨这些光谱学方法在研究InGaN材料辐照损伤中的应用，并总结相关研究进展。

图2. 单晶硅中 2 keV 的 PKA 引发单 PKA 级联碰撞的弗伦克尔对受温度影响的情况

InGaN材料的辐照损伤机制

1.1 点缺陷与位错的形成

高能粒子辐照会在InGaN材料中引入多种点缺陷，包括空位、间隙原子和反位缺陷。这些点缺陷会破坏InGaN的晶体结构，导致晶格畸变。例如，镓空位（V_Ga）和氮空位（V_N）的形成会显著影响InGaN的电学和光学性质。此外，辐照还会诱导位错的形成，这些位错会在晶体中传播并相互作用，进一步加剧晶格的畸变。研究表明，位错密度的增加会导致InGaN材料的机械性能下降，同时也会降低其载流子迁移率。

1.2 载流子复合与迁移率变化

辐照引入的缺陷态会捕获载流子，增加非辐射复合过程，从而降低载流子浓度和迁移率。在InGaN材料中，载流子的迁移率对其光电性能至关重要，特别是在LED和激光器等器件中。研究表明，高能粒子辐照后，InGaN材料的载流子迁移率显著降低，这主要是由于缺陷态对载流子的散射作用增强。此外，缺陷态还会改变载流子的复合动力学，导致发光效率降低。

1.3 发光效率降低

InGaN材料的发光效率受其晶体质量的直接影响。辐照引入的缺陷态会增加非辐射复合过程，从而降低发光效率。研究表明，高能粒子辐照后，InGaN材料的发光强度显著降低，发光峰位发生蓝移或红移。这些变化反映了缺陷态密度的增加和载流子复合过程的改变。

光谱学研究方法与结果

2.1 拉曼光谱

拉曼光谱是一种非破坏性的光谱技术，能够提供关于材料晶格振动模式的信息。对于InGaN材料，其拉曼光谱中主要的振动模式包括E₂（high）模式和A₁（LO）模式。这些模式的峰位和强度变化可以反映晶格结构的损伤程度。研究表明，高能粒子辐照后，InGaN材料的E₂（high）模式峰位向低波数方向移动，峰宽增加，表明晶格畸变和缺陷态的引入。此外，A₁（LO）模式的强度也会显著降低，进一步证实了晶格结构的破坏。

图3. In0.32Ga0.68N 在室温下经受 3×10 13和 6×10 13 cm -2的 5 MeV 氙离子辐照前后的拉曼光谱

2.2 光致发光光谱（PL）

PL光谱是一种常用的光谱技术，用于研究材料的光学性质和缺陷态。对于InGaN材料，PL光谱可以提供关于发光效率、缺陷态密度和载流子复合过程的信息。研究表明，高能粒子辐照后，InGaN材料的PL光谱显示出发光强度的显著降低和发光峰位的蓝移。这些变化反映了缺陷态密度的增加和载流子复合过程的改变。通过拟合PL光谱，可以进一步确定缺陷态的类型和浓度。

2.3 时间分辨光致发光光谱（TRPL）

TRPL光谱是一种先进的光谱技术，能够提供关于载流子动力学的信息。通过测量载流子寿命，可以深入了解载流子的复合过程和缺陷态的作用。研究表明，高能粒子辐照后，InGaN材料的载流子寿命显著缩短，这表明缺陷态对载流子的捕获作用增强。TRPL光谱还可以揭示载流子的扩散过程和非辐射复合机制，为理解InGaN材料的辐照损伤提供了重要依据。

结论与展望

我司有SR900与SF900系列晶圆级Raman与PL光谱测试系统，可以针对于空气中，高低温中，真空中的InGaN材料与晶圆进行测试。

图1. SR900的InGaN测试结果展示

本文综述了InGaN材料在高能粒子辐照下的损伤机制，特别关注了拉曼光谱、PL光谱和TRPL光谱等光谱学方法在研究中的应用。通过这些光谱学手段，可以有效揭示辐照引入的缺陷类型、载流子浓度变化以及载流子动力学行为。研究表明，高能粒子辐照会导致InGaN材料的晶格畸变、载流子迁移率降低和发光效率下降。这些发现为理解和改善InGaN材料的抗辐照性能提供了重要依据。

但是很遗憾的是，我们看到的光谱研究很多都还是在辐照损伤后，拿到空气中进行Raman与PL等光谱学的研究，对于在真空中的原位测试，还只是刚刚开始，方兴未艾。

因此在未来，我们期望的研究方向包括：

1. 材料改性：通过掺杂或合金化等方法，提高InGaN材料的抗辐照性能。

2. 结构优化：设计新型的InGaN结构，如量子点、纳米线等，以增强其抗辐照能力。

3. 多物理场耦合研究：结合热、电、光，尤其是真空原位等多物理场耦合效应，深入研究InGaN材料在极端环境下的性能变化。

图1. 真空互联光谱工作站

通过这些研究，有望开发出具有更高抗辐照性能的InGaN材料，满足光电器件在极端环境下的应用需求。

总之，希望越来越多的做辐照损伤的朋友们与我们合作起来。