高能氦离子辐照对不同n型掺杂水平GaN外延层特性的影响及其空间应用研究

本研究针对太空应用中GaN基器件面临的高能粒子辐射损伤问题，通过等离子体辅助分子束外延(PA-MBE)制备不同n型掺杂水平的GaN外延层，系统分析了1.5 MeV氦离子(He+)辐照对其结构、光学和电学性能的影响。研究发现辐照导致表面氮空位形成、载流子浓度增加但迁移率下降，为空间电子器件的抗辐射设计提供了重要依据。

　　

在太空探索和卫星技术快速发展的今天，III族氮化物半导体器件正面临严峻的辐射环境挑战。这些具有宽禁带特性的材料虽被誉为"第三代半导体"的明星，但当遭遇太阳风暴产生的高能粒子流时，其性能稳定性仍存在重大隐患。特别是含有大量氦核的太阳风，可能引发器件性能的灾难性衰退，而相关损伤机制的研究却长期处于空白状态。

俄罗斯联邦科学与高等教育部支持下的研究团队在《Surfaces and Interfaces》发表的重要成果，首次系统揭示了高能氦离子对氮化镓(GaN)外延层的损伤机制。研究人员采用等离子体辅助分子束外延(PA-MBE)技术在GaN-MOCVD/c-Al₂O₃模板上生长了不同n型掺杂浓度的外延层，通过1.5 MeV氦离子辐照实验，结合X射线光电子能谱(XPS)、原子力显微镜(AFM)、X射线衍射(XRD)、拉曼光谱、霍尔效应测试等先进表征手段，构建了从原子尺度到宏观性能的完整评估体系。

材料与方法
研究选用三种掺杂水平的GaN外延层（非故意掺杂、n型和n⁺型），通过俄制Sokol辐照装置实施氦离子轰击。采用XPS解析表面化学态变化，AFM观测形貌演变，XRD和拉曼光谱评估晶体结构完整性，结合紫外-可见光谱和光致发光谱分析光学性能，霍尔测量揭示载流子行为变化。

结果与讨论
材料特性变化
霍尔测量显示辐照后载流子浓度增加20-35%但迁移率下降40-60%，表明缺陷介导的散射增强。XPS证实表面出现氮缺失（N 1s峰减弱2.3 eV）和Ga-O键形成（Ga 2p_3/2峰位移0.8 eV），这与AFM观测到的表面粗糙度增加（R_a从0.5 nm增至3.2 nm）和20-50 nm尺寸缺陷簇形成相吻合。

结构稳定性
XRD（002）面半高宽仅增宽8%，拉曼E₂(high)声子模偏移<1 cm^-1，证实MOCVD缓冲层保持优异结晶质量。折射率色散曲线在紫外区（300-400 nm）变化<3%，说明光学性能稳定性。

损伤机制
辐照在n⁺-GaN中诱发更显著的载流子补偿效应，表明高掺杂区域更易形成深能级缺陷。界面电荷积聚效应使n型样品接触电阻增加2个数量级，这对HEMT器件栅极漏电流控制具有警示意义。

这项研究不仅填补了GaN器件氦离子辐射效应认知空白，更建立了"辐照参数-微观缺陷-宏观性能"的关联模型。特别值得注意的是，研究发现MOCVD缓冲层具有"辐射屏蔽"效应，这为设计抗辐射异质结器件提供了新思路。虽然当前研究限于特定能量和注量条件，但其揭示的氮空位主导的损伤机制，将直接指导太空用GaN基器件的掺杂工艺优化和界面工程设计。随着商业航天时代的到来，这些发现对保障星载电子系统可靠性具有重要战略价值。