多粒子辐照下GaN-HEMT电学特性演变机制与量子力学解析

本研究针对空间应用中GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)在光子、中子和α粒子辐照下的性能退化问题，通过量子力学方法揭示了辐照诱导的晶体缺陷、能带结构改变及核嬗变效应。研究发现光子通过δ射线降低漏极电流(ID)，中子引发饱和区偏移，α粒子产生复合损伤，为航天电子器件抗辐照设计提供了关键理论依据。

　　

在太空探索的极端环境中，半导体器件面临着宇宙射线的严峻挑战。作为卫星通信和深空探测的核心元件，GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)虽以高频、高功率特性著称，却长期受困于光子、中子等高能粒子引发的性能衰减问题。以往研究多聚焦单一辐照类型，对多粒子协同作用机制及量子尺度损伤原理的认识仍存空白。

为破解这一难题，国内研究人员在《Applied Radiation and Isotopes》发表的研究中，选取650V/30A的PDFN封装GS0650302L型GaN-HEMT，通过对比辐照前后ID-VD、ID-VG特性曲线，结合量子力学建模，系统解析了不同粒子的损伤机制。研究采用蒙特卡洛模拟计算粒子输运过程，利用密度泛函理论(DFT)分析缺陷动力学，并通过电学表征平台测量辐照前后的电流-电压特性。

光子辐照效应
高能光子通过康普顿散射产生δ射线，这些次级电子虽不足以引发原子位移，但通过改变能带结构使漏极电流(ID)在全栅压范围内下降5%-15%，且非线性偏差随栅压(VG)增大而增强。量子计算表明，该现象源于光子诱导的局域态密度重构。

中子辐照特异性
中子捕获反应引发显著的核嬗变效应，在ID-VD曲线上表现为饱和区0.3V的特征偏移。散射事件导致载流子迁移率下降，使ID在-5V栅压下骤降22%，揭示出中子与晶格的非弹性碰撞主导损伤过程。

α粒子复合损伤
α粒子同时产生原子位移、核反应及δ射线三重效应，伴随明显热效应。值得注意的是，三类辐照均未改变膝点电压，证实损伤集中于晶格扰动而非基础工作阈值。

量子力学突破
研究创新性地建立辐射应力量子模型，首次量化了位移损伤截面与吸收剂量的关联性。该模型成功预测了氮空位对2DEG(二维电子气)的散射增强作用，为抗辐照设计提供理论工具。

这项研究不仅阐明多粒子辐照的协同损伤机制，更开创了基于量子理论的辐射可靠性评估范式。其提出的核嬗变掺杂控制方法，为下一代空间级GaN器件的能带工程指明方向，对延长卫星服役寿命具有重要工程价值。研究团队特别强调，未来需在GCR(银河宇宙射线)实际能谱下验证模型，并开发针对次级粒子簇的屏蔽策略。