摘 要：基于SRIM軟件計算了不同能量的C離子在AlGaAs/InGaAs異質結中的平均投影射程和輻照損傷區(qū)，仿真了能量為500keV、800keV、1100keV的C離子入射到AlGaAs/InGaAs異質結中的能量損失情況，發(fā)現隨著入射離子能量的增加，電離能比例增加，非電離能比例降低，入射離子產生的電離能損遠大于反沖原子產生的電離能損，反沖原子產生的聲子能損遠多于入射離子產生的聲子能損；通過仿真還發(fā)現，當C離子的能量為800keV時，輻照損傷區(qū)在異質結處且在異質結處產生的空位缺陷最多。

關鍵詞：C離子輻照；AlGaAs/InGaAs異質結；電離能損；非電離能損；空位

中圖分類號：TN304.2" "文獻標識碼：A" "文章編號：1007 - 9734 （2024） 04 - 0066 - 06

0 引 言

近年來，隨著科技的進步，人們對空間技術的探索日益增強[1]，微電子系統(tǒng)越來越廣泛地應用在航天飛行器、衛(wèi)星雷達、空間通訊、外太空探索等領域[2-5]，高溫、高壓、高頻和大功率半導體器件是國際半導體研究的熱點，也是當今微電子領域的戰(zhàn)略制高點之一[6]。半導體器件是微電子系統(tǒng)的重要組成部分，異質結是半導體器件的核心元件，以AlGaAs/InGaAs異質結為核心的高電子遷移率晶體管（HEMT）在高頻、低噪和大功率應用等方面展現出了得天獨厚的優(yōu)勢和無限的潛力[7-9]。太空中有大量的粒子輻照，包括r射線、電子、中子和一些帶電離子等[10]，運行在空間中的器件將不可避免地遭受太空中極其復雜的輻照環(huán)境的影響[11]，長時間的輻照會導致器件功能退化，甚至性能失效[12-14]。因此，研究空間粒子對器件的影響勢在必行[15]。然而，國內外眾多輻照研究大都集中在質子、電子和中子上[16-17]，對重離子的輻照影響研究相對較少。由于C離子在空間輻照環(huán)境中的重離子中所占比例較高，而研究異質結的輻照作用又可以為器件輻照的研究指引方向，所以本文基于SRIM軟件對C離子對AlGaAs/InGaAs異質結的輻照損傷進行了研究，為其抗輻照加固提供理論依據。

1 仿真結構

本文采用的仿真結構為AlGaAs/InGaAs異質結，如表1所示。

2 仿真結果

本文采用的仿真軟件為SRIM，SRIM程序是目前國際上通用的計算帶電離子在靶材料中入射和能量傳遞的計算程序。入射離子的個數設置為104個，入射角度為0度，即垂直于材料表面。

2.1" 輻照損傷區(qū)仿真

入射離子在入射方向上的射程和其在靶材中的終止位置反映出其對材料的輻照損傷區(qū)，本文仿真了不同能量的C離子入射到AlGaAs/InGaAs異質結中的情況，入射離子的能量分別為100keV、200keV、500keV、800keV、1100keV、1500keV，如圖1所示。

從圖1中可以看出：當入射離子的能量為100keV、200keV時，由于入射離子能量低，穿透力弱，全部離子都停留在AlGaAs層，并距離異質結較遠；當離子能量為500keV時，平均投影射程為7097埃，大多數離子停留在異質結左側的AlGaAs層；當入射離子的能量為800keV時，平均投影射程為10100埃，大部分離子停留在異質結處；當離子能量為1100keV時，平均投影射程為12 800埃，離子大多停留在異質結右側的InGaAs層；當入射離子的能量增加到1500keV時，幾乎全部離子都停留在距離異質結較遠的InGaAs層，轉移出異質結附近。

圖2給出了離子在異質結中的平均投影射程隨入射離子能量的變化關系，可以看出，隨著入射離子能量的增加，平均投影射程逐漸增加，近似呈線性關系。由于停留在異質結附近的離子才會對異質結產生非常大的影響，因此，我們應該重點關注500keV－1100keV之間的C離子輻照情況。

圖3給出了能量為500keV、800keV、1100keV的C離子最終在異質結中的三維分布圖，從圖中可以看出，入射離子在靶中并不是做直線運動，其最終在停止位置與入射點是偏離的，最終在靶中呈離散分布。從圖中還可以看出，雖然500keV的C離子平均投影射程距離異質結較遠，但也有極少數C離子到達InGaAs層，對InGaAs層造成影響。這是由于帶電離子與靶材相互作用時，會在各個方向上與靶原子發(fā)生碰撞，從而使入射離子朝各個方向運動。

2.2" 能量損失計算

在帶電離子與靶材的相互作用過程中，自身能量會通過電離和非電離的方式損失，損失的能量分別為電離能量損失和非電離能量損失。電離能損對靶材產生電離損傷，非電離能損則對靶材產生位移損傷和激發(fā)聲子。由于帶電離子在與靶材原子碰撞時，會把能量傳遞給靶材原子，從而使靶材原子成為反沖原子，因此，能量損失由入射離子和反沖原子兩部分組成。

本文研究了能量分別為500keV、800keV、1100keV的C離子入射到AlGaAs/InGaAs異質結中的能量損失情況，如表2所示。從表中可以看出，隨著入射離子能量的增加，電離能比例增加，非電離能比例降低。

本文又具體分析了入射離子和反沖原子產生的電離能損分布情況。如圖4和圖5所示。

圖4反映的是能量分別為500keV、800keV、1100keV的C離子在AlGaAs/InGaAs異質結中的電離能損，從圖中可以看出，入射離子產生的電離能損遠遠大于反沖原子產生的電離能損，并且入射離子能量越大，電離能損越多。并且，當入射C離子的能量為500keV時，能量損失集中在AlGaAs層，當C離子的能量為800keV時，能量損失集中在異質結附近，當C離子能量為1100keV時，能量損失則集中在InGaAs層，這與輻照損傷區(qū)仿真一致。

圖5反映的是能量分別為500keV、800keV、1100keV的C離子在AlGaAs/InGaAs異質結中的聲子能損，從圖中可以看出，反沖原子產生的聲子能損遠遠多于入射離子產生的聲子能損，這與電離能損正好相反，但同樣是C離子能量為800keV時，能量損失集中在異質結附近，這也與輻照損傷區(qū)仿真結果一致。

2.3" 空位計算

由于非電離能損產生的位移損傷會在靶材中引入空位缺陷，而空位缺陷會對半導體中載流子的壽命、濃度和遷移率產生影響，從而導致器件電學性能的退化，對器件損傷嚴重，因此，本文重點關注了能量分別為500keV、800keV、1100keV的C離子在異質結中產生的空位個數。圖6反映的是在入射離子與靶材相互作用過程中，發(fā)生的總位移次數。

從圖6可以看出，隨著離子能量的增加，每個入射離子從與靶材原子相互作用到最終停止在靶材中，發(fā)生的碰撞次數和產生的位移次數是增加的，產生的空位個數也是增加的。

圖7、圖8和圖9顯示的是異質結兩側的空位種類隨深度的變化，可以看出，當離子能量為500keV時，產生空位的峰值在AlGaAS層，但InGaAs層也會產生極少空位缺陷。當離子能量為800keV時，空位個數峰值正好在異質結處，當離子能量為1100keV時，空位個數峰值在InGaAs層。從圖7、圖8和圖9還可以看出，在AlGaAs層，產生的Ga空位和As空位個數相同，遠遠多于Al空位；在InGaAs層，In空位個數最多，Ga空位和As空位個數依然相同。這是由于Al原子的位移閾能較大，In原子的位移閾能較小，產生的空位個數與原子位移閾能密切相關。

3 結 論

本文基于SRIM軟件計算了不同能量的C離子在AlGaAs/InGaAs異質結中的平均投影射程和輻照損傷區(qū)，發(fā)現當C離子能量為800keV時，輻照損傷區(qū)在異質結處，并且在異質結處產生的空位缺陷最多。隨著入射離子能量的增加，電離能比例增加，非電離能比例降低，電離能損主要由入射離子產生，聲子能損主要由反沖原子產生。

參考文獻：

[1]盧萬杰. 空間目標態(tài)勢認知與服務關鍵技術研究[D]. 鄭州：戰(zhàn)略支援部隊信息工程大學， 2020.

[2]王一凡. AlGaN/GaN HEMT在電場與溫度作用下輻照損傷效應研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學， 2022.

[3]張佳佳，丁芃，靳雅楠，等. A comparative study on radiation reliability of composite channel InP high electron mobility transistors[J]. Chinese Physics B， 2021， 30（7）：137-142.

[4]鐘英輝，楊博，常明銘，等. Enhancement of radiation hardness of InP-based HEMT with double Si-doped plane[J]. Chinese Physics B， 2020， 29（3）： 532-536.

[5]王海麗，吉慧芳，孫樹祥，等.InAlAs/InGaAs/InAlAs量子阱質子輻照損傷機理[J].西安電子科技大學學報，2017，44（4）：151-155+161.

[6]賈利芳，樊中朝，顏偉，等. GaN基HFET電力電子器件的研究[J]. 微納電子技術， 2012， 49（11）： 716-725.

[7]SAFONOV D A， KLOCHKOV A N， VINICHENKO A N， et al. Electron effective masses， nonparabolicity and scattering times in one side delta-doped PHEMT AlGaAs/InGaAs/GaAs quantum wells at high electron density limit[J/OL]. Physica E： Low-dimensional Systems and Nanostructures，2021（133）： 114787.

[8]MOHAMMAD A A， ALI A R， CHRISTOPHE G. Small signal model parameters analysis of GaN and GaAs based HEMTs over temperature for microwave applications[J]. Solid-State Electronics，2016（119）：11-18.

[9]DONG J H， CHEN X， HE W D， et al. A v-band integrated receiver front-end based on 0.15 μm gaas phemt process for passive millimeter-wave imaging[J]. IEEE Access 2022（10）：59933-59941.

[10]李凌樂，陳子睿，文建湘，等.面向太空環(huán)境應用的抗輻照有源光纖特性研究[J].飛控與探測， 2022，5（3）： 58-62.

[11]劉翠翠， 郭剛， 李治明，等. SiC MOSFET單粒子效應研究現狀[J]. 核技術， 2022， 45（1）：3-16.

[12]CHANG SUNGJAE， KIM DONGSEOK，KIM TAEWOO， et al. Mechanisms of the device property alteration generated bythe proton irradiation in GaN-Based MIS-HEMTs using extremely thin gate insulator[J]. Nanomaterials， 2023，13（5）： 898-916.

[13]WAN P F， YANG J Q， YING T， et al.. Effects of ionization and displacement damage in AlGaN/GaN HEMTs devices caused by various heavy ions[J]. IEEE Trans. Nucl. Sci.， 2021（68）： 1265-1271.

[14]張正選，鄒世昌.SOI材料和器件抗輻射加固技術[J]. 科學通報， 2017， 62（10）： 1004-1017.

[15]段微波， 劉保劍， 莊秋慧等.應用于空間遙感系統(tǒng)的紅外光學薄膜研究進展（特邀）[J]. 光子學報， 2022， 51（9）： 11-27.

[16]YUE S H， LEI Z F， PENG C， et al. High-fluence proton-induced degradation on algan/gan high-electron-mobility transistors[J]. IEEE Trans. Nucl. Sci.， 2020（67）： 1339-1344.

[17]WANG Y S， LIU L， REN F， et al. Effect of electron irradiation on AlGaN/GaN and InAlN/GaN heterojunctions[J/OL]. J Vac Sci Technol B， 2013（31）： 022206.

Effect of C Ion Irradiation on AlGaAs/InGaAs Heterojunction

Abstract：In this paper， the damage caused by C ion irradiation on AlGaAs/InGaAs heterojunction was investigated. The projection ranges of C ions and irradiation damage area with varying energies in the AlGaAs/InGaAs heterojunction were calculated by SRIM. In addition， the energy loss caused by 500keV， 800keV， and 1100keV C ions incident on the basic structure of AlGaAs/InGaAs heterojunction was also simulated. It was observed that with the increase of incident ion energy， the proportion of ionizing energy loss increases， while the proportion of non-ionizing energy loss decreases， and the ionizing energy loss induced is mainly comes from incident ion rather than recoil atom， while the phonon energy loss mainly comes from recoil atom rather than incident ion. Additionally， it was found that when using 800keV energy for C ions， the irradiation damage area is the heterojunction， and a higher number of vacancy defects are generated.

Key words： C ion radiation; AlGaAs/InGaAs heterojunction; ionization energy loss; non-ionizing energy loss; vacancies