化合物半导体器件的辐射效应.
宇航用半导体器件重离子单粒子效应试验指南
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氮化镓HEMT 器件辐射效应综述
第20卷第6期2022年6月Vol.20，No.6Jun.，2022太赫兹科学与电子信息学报Journal of Terahertz Science and Electronic Information Technology氮化镓HEMT器件辐射效应综述吕航航a，b，曹艳荣*a，b，马毛旦a，b，张龙涛a，b，任晨a，b，王志恒a，b，吕玲a，郑雪峰b，马晓华b(西安电子科技大学 a.机电工程学院；b.宽带隙半导体技术国家重点学科实验室，陕西西安710071)摘要：在高频、大功率、高温、高压等领域，氮化镓高电子迁移率晶体管(HEMT)器件因其优异的耐辐射性能而被广泛地应用于卫星、太空探测、核反应堆等领域。
尽管从理论和一些试验研究中可以得知，氮化镓材料具有良好的耐辐射特性，但在实际应用中，因其制作工艺及结构等因素的影响，氮化镓HEMT器件的耐辐射特性受到了很大的影响和挑战。
本文介绍了氮化镓HEMT器件几种辐射效应，并对氮化镓HEMT器件辐射的研究进行了综述。
关键词：氮化镓HEMT器件；γ射线辐射；质子辐射；中子辐射；电子辐射中图分类号：TN322；TL818文献标志码：A doi：10.11805/TKYDA2022012Review of radiation effects on GaN HEMT devicesLYU Hanghang a,b，CAO Yanrong*a,b，MA Maodan a,b，ZHANG Longtao a,b，REN Chen a,b，WANG Zhiheng a,b，LYU Ling a，ZHENG Xuefeng b，MA Xiaohua b(a.School of Electro-Mechanical Engineering；b.State Key Subject Laboratory of Wide Band Gap Semiconductor Technology，Xidian University，Xi'an Shaanxi710071，China）AbstractAbstract：：GaN High Electron Mobility Transistor(HEMT)devices have superior advantages in high-frequency,high-power,high-temperature and high-pressure applications,and due to the excellentradiation resistance characteristics of gallium nitride materials,the devices are useful in radiationenvironments such as satellites,space exploration,and nuclear reactors.Although the theory and someexisting experimental results have shown that GaN materials have excellent radiation resistanceproperties,in actual situations,the radiation resistance properties of GaN HEMT devices are greatlyaffected and challenged due to the influence of the device manufacturing process and structure.Themajor radiation effects of GaN HEMT devices are discussed,and the radiation research of GaN HEMTdevices is reviewed.KeywordsKeywords：：GaN HEMT devices；Gamma irradiation；proton irradiation；neutron irradiation；electron irradiation基于宽禁带半导体材料的特性优点，氮化镓(GaN)基高电子迁移率晶体管(HEMT)在高频、大功率、高温、高压等领域有极好的应用前景，再加上其优异的耐辐射特性，该器件在卫星、太空探测、核反应堆等领域也有广阔的发展空间，因此，核辐射环境与半导体器件的关系愈来愈密切，同时对器件的可靠性提出了更高的要求。
半导体辐照损耗计算
半导体辐照损耗计算半导体辐照损耗计算是一项重要的技术，用于评估半导体材料在辐射环境中的稳定性和可靠性。
它涉及到辐照引起的电子和离子能量传输过程，以及材料的物理和化学变化。
在半导体器件的运行过程中，可能会遭受来自自然环境或人为辐射源的辐射。
辐射会引起半导体材料中的原子和分子发生离子化、激发和电子损坏等过程，进而导致电学性能的变化和器件的失效。
为了评估辐照对半导体材料的影响，我们需要进行辐照损耗计算。
这个计算过程需要考虑多个因素，包括辐照剂量、辐射类型、材料的特性以及器件的结构等。
具体来说，辐照损耗计算首先需要确定辐照剂量，即辐射源释放的辐射能量。
辐射剂量通常以各种不同的单位进行表示，如Gray（Gy）或Rad。
然后，我们需要了解半导体材料的辐射响应，即材料对辐照的敏感性。
这通常可以通过实验或模拟计算获得。
接下来，我们还需要考虑辐射类型。
辐射可以分为电离辐射和非电离辐射两类。
电离辐射包括阿尔法粒子、贝塔粒子和伽马射线等，而非电离辐射包括中子和中子引起的次级粒子等。
不同类型的辐射会对半导体材料产生不同的损伤效应。
我们需要考虑材料的特性和器件的结构。
半导体材料的特性包括能带结构、禁带宽度、载流子迁移率等，而器件的结构包括各种电极、层堆叠和结构参数等。
这些因素将影响辐照损耗的程度和机制。
通过将以上因素综合考虑，我们可以进行半导体辐照损耗计算。
这种计算可以帮助我们评估半导体材料在辐射环境中的性能和可靠性，并为设计和制造辐射抗性器件提供指导。
半导体辐照损耗计算是一项复杂而关键的技术。
通过准确计算和评估，我们可以更好地理解半导体材料在辐射环境中的行为，并为半导体器件的设计和工程提供可靠性保证。
第六章III-V族化合物半导体
6-及条件的依据：相图
非凝聚体系相图与凝聚体系相图的差别 非凝聚体系P-T-X相图
GaAs作为重要半导体材料的 主要特征
直接带隙，光电材料 迁移率高，适于制作超高频超高速器件和电路 易于制成非掺杂半绝缘单晶，IC中不必作绝缘
隔离层，简化IC，减少寄生电容，提高集成度 Eg较大，可在较高温度下工作 抗辐射能力强 太阳电池，转换率比Si高 Gunn效应，新型功能器件
能带结构：直接带隙 导带中有两个次能谷X，L，与主能谷能量差不大 主能谷中：电子有效质量较小，迁移率较高 次能谷种：电子有效质量大，迁移率小，态密度大， 室温下：电子处于主能谷 当外电场超过某一阈值时： 电子由主能谷→次能谷，迁移率由大→小， 出现：电场增大，电流减小的负阻效应 体效应（电子转移效应），Gunn效应（1963年）
GaAs晶体生长的两个途径
熔体生长：先合成1:1的化合物熔体然后直
接由熔体中生长其单晶 溶液生长：由某一组分的溶液中生长化合 物晶体（常以III族元素作溶剂）
对Ga-As体系精细相图
GaAs在加热时发生的一些可逆反应 熔体生长的GaAs晶体一般含有较多的Ga空
位
GaAs的物理、化学性质
暗灰色，有金属光泽 其晶格常数随T及化学计量偏离有关，
a（富As）<a（富Ga） 室温下对H2O和O2是稳定的 大气中600℃以上开始氧化 真空中800 ℃以上开始离解 与盐酸×与浓硝酸∨易溶于王水
GaAs的能带结构与Gunn效应
GaAs能带结构和Gunn效应
第六章 III-V族化合物半导体
IIIA元素：B 、Al、Ga、In
VA元素： N、P、As、Sb 组合形成的化合物15种（BSb除外） 目前得到实用的III-V族化合物半导体 GaN GaP GaAs InP GaSb InSb InAs 原子序数之和：由小→大 材料熔点：由高→低 带隙宽度：由大→小
辐射对FPGA应用的影响及解决方
辐射对FPGA应用的影响及解决方
以前很多人认为，半导体器件只会在太空应用中受到辐射的影响，但是随着半导体工艺的进步，很多地面的应用也会受到辐射的影响。
今天，我们会介绍不同的辐射效应和对FPGA的影响，比较不同的FPGA的耐辐射性。
辐射的影响
按照是否能造成原子或者分子的电子脱离，辐射主要分为电离性和非电离性两大类，如图1所示。
高能粒子或者电磁波包括X射线和γ射线都能够产生电离的作用。
半导体器件受电离性的辐射影响较大，日常应用中以粒子引起的电离性辐射最常见，而其中，以α粒子和中子的影响力较大。
半导体器件大气中子单粒子效应试验方法与程序基本信息
半导体器件大气中子单粒子效应试验方法与程序基本信息半导体器件大气中子单粒子效应试验方法与程序基本信息【导论】半导体器件是现代电子技术中不可或缺的基础组成部分，但它们在高能辐射环境下的可靠性问题一直备受关注。
其中，大气中子单粒子效应是一种重要的辐射损伤现象，它对半导体器件的性能产生了不可忽视的影响。
为了解决这个问题，科研人员提出了许多试验方法和程序，以便更好地了解和评估半导体器件在大气中子单粒子效应下的可靠性。
本文将针对这一主题展开全面深入的讨论。
【试验方法】1. 单粒子效应测试单粒子效应测试是一种常用的试验方法，通过在实验室中模拟大气中子单粒子效应，评估半导体器件的性能和可靠性。
在该测试中，使用粒子加速器产生高能粒子束，并照射在待测器件上。
通过检测器件的电流、电压或其他指标的变化，可以获得其受到辐射后的效应。
2. 组件级试验组件级试验是一种更接近真实工作环境的试验方法，它考虑了半导体器件在电路中的相互作用。
在该试验中，器件被嵌入到电路板或模块中，经过长时间不间断的工作，观察其在大气中子单粒子效应下的性能退化情况。
这种方法能更好地模拟实际工作条件，但需要更长的测试时间。
3. 增强放射性测试增强放射性测试是一种瞄准特定辐射环境的试验方法，根据地理位置、海拔高度、周边辐射源等因素，选择合适的地点进行测试。
通过对辐射水平进行增强，可以更快速地观察到器件在大气中子单粒子效应下的反应，以及评估其可靠性。
【试验程序基本信息】1. 数据收集与分析试验开始前，需要收集和分析相关的数据，包括大气中子流通量、器件故障率、故障模式等信息。
这些数据对于设计合理的试验方案和结果的解读至关重要。
2. 样品准备与选择根据需求和试验目标，选择适当的半导体器件样品，以代表实际生产中使用的器件。
对样品进行特殊处理，例如辐射前的电子束退火、封装等，以确保试验结果的可靠性和有效性。
3. 设置试验条件根据试验目标，设置适当的试验条件，例如辐射剂量、温度、湿度等。
半导体的光电效应
本征半导体光电导效应图
讨论光电探测器的一般步骤： 定性分析：工作原理 定量计算：
性能分析：灵敏度，光谱响应特性，线性关系等
光电导效应
当入射光功率为
为常数时：
用来产生光电效应的光功率:
产生非平衡载流子的光子数：
响应时间：
探测器的主要参数
关于响应时间 积分得到： 同样停止光照时： 频率响应：
线性
线性：指探测器的输出光电流或光电压与入射光功 率的 成比例的程度，其与工作状态有关
v
I
光敏二极管伏安特性
R
P
N
在作线性光电池时，R的取值问题
探测器主要参数的测试
光谱响应率函数的测试 标准探测器法：通过比较被测探测器与标准探测器在每一波长上的响应，来确定被测探测器的光谱响应函数
光子噪声： 信号辐射产生的噪声与背景噪声 探测器噪声：热噪声，散粒噪声，产生与复合 噪声， 温度噪声，1/f噪声
噪声的分类：随机的噪声，其功率与频率无关（白噪声） 与频率有关的1/f噪声
1/f噪声
白噪声
f
S(f)
噪声的主导地位： 在低频时， 1/f噪声起主导作用 在中频时，产生复合噪声起主导作用 在高频时，白噪声起主导作用 噪声的克服
考察其瞬态过程：
光电导效应 积分得到： 同样停止光照时： 频率响应：
光电导效应
光谱响应：探测器的输出与输入光波长的关系
注意条件：
理想情况
实际情况
光生伏特效应
光生伏特效应简称为光伏效应，指光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象。
产生机制： 光生载流子的浓度梯度 光电磁效应 势垒效应（PN结）
02
半导体光电导器件是利用半导体材料的光电效应制成的光电探测器件。其最典型的器件是光明电阻。 光明电阻的特点：
宇航用半导体器件总剂量辐射试验方法
宇航用半导体器件总剂量辐射试验方法在航天事业中，宇航用半导体器件的可靠性与稳定性至关重要。
总剂量辐射试验是评估这些器件在空间辐射环境下性能的重要手段。
本文将详细介绍宇航用半导体器件总剂量辐射试验的方法。
一、试验目的宇航用半导体器件总剂量辐射试验旨在评估器件在空间辐射环境下，累积辐射剂量对其性能的影响，确保器件在规定辐射剂量范围内能正常工作。
二、试验原理总剂量辐射试验是通过模拟空间辐射环境，对半导体器件施加辐射，累积一定剂量的辐射后，检测器件的电性能参数，分析辐射对器件性能的影响。
三、试验设备与材料1.辐射源：可以使用钴-60伽马射线源、电子加速器或其他适用的辐射源。
2.器件固定装置：用于固定半导体器件，确保其在辐射过程中位置稳定。
3.辐射剂量监测器：用于监测辐射剂量，确保试验过程中辐射剂量的准确性。
4.电性能测试设备：用于测试辐射前后半导体器件的电性能参数。
5.辐射防护用品：如铅防护服、防护眼镜等，保障试验人员安全。
四、试验步骤1.样品准备：选择具有代表性的宇航用半导体器件，进行外观检查和电性能预测试。
2.器件固定：将器件固定在试验装置上，确保其在辐射过程中不会移动。
3.辐射施加：根据试验方案，对器件施加规定剂量的辐射。
4.辐射剂量监测：在试验过程中，实时监测辐射剂量，确保试验的准确性。
5.电性能测试：分别在辐射前、辐射过程中和辐射后，对器件进行电性能测试，记录数据。
6.数据分析：分析辐射前后器件性能的变化，评估器件的总剂量辐射效应。
五、试验结果与分析1.总剂量辐射试验后，宇航用半导体器件的电性能参数变化应在规定范围内。
2.分析辐射效应，找出器件性能变化的主要原因。
3.根据试验结果，优化器件设计和工艺，提高其在空间辐射环境下的可靠性。
六、注意事项1.确保试验过程中辐射剂量的准确性和稳定性。
2.遵循辐射防护规定，保障试验人员安全。
3.结合具体应用场景，合理选择试验方法和辐射源。
4.对试验数据进行详细记录和分析，为器件设计和优化提供依据。