硅基光電子器件的輻射效應(yīng)研究進展*

周悅 胡志遠(yuǎn) 畢大煒 武愛民?

1) (中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所,信息功能材料國家重點實驗室,上海 200050)

2) (中國科學(xué)院大學(xué),材料與光電研究中心,北京 100049)

硅基光電子器件與芯片技術(shù)是通信領(lǐng)域的下一代關(guān)鍵技術(shù),在光通信、高性能計算、數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域有廣闊的市場,在生物傳感領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用.根據(jù)硅光器件高集成度、重量小等特性,可以預(yù)見硅基光電子芯片在空間通信、核電站、高能粒子實驗等輻射環(huán)境中也極具應(yīng)用前景.本文綜述了硅基光電子器件在高能粒子環(huán)境下的輻射效應(yīng)研究工作,闡述了電離和非電離輻射效應(yīng); 針對無源器件和有源器件分別介紹了輻射效應(yīng)和響應(yīng)機理,包括波導(dǎo)、環(huán)形諧振器、調(diào)制器、探測器、激光器、光纖等.高能輻射對無源器件的影響主要包括結(jié)構(gòu)加速氧化、晶格缺陷、非晶結(jié)構(gòu)致密化等.對于光電探測器和激光器,輻射引起的位移損傷占主導(dǎo)地位,其中點缺陷引入的深能級會影響載流子響應(yīng)導(dǎo)致器件性能變化,而電光調(diào)制器在輻射環(huán)境下的主要損傷機制是電離損傷,產(chǎn)生的缺陷電荷會影響載流子濃度從而改變有效折射率.本文最后展望了硅基光電集成器件的輻射加固思路和在空間環(huán)境中的應(yīng)用前景.

1 引 言

硅基光電子技術(shù)是將微電子領(lǐng)域低成本、批量化、高集成度的大規(guī)模集成電路制造技術(shù)與光電子芯片的大帶寬、高速率和高抗干擾能力等優(yōu)勢結(jié)合起來的一種新興技術(shù)[1].基于硅基光電子集成的片上光互連被認(rèn)為是后摩爾時代突破集成電路技術(shù)發(fā)展所面臨的功耗、帶寬和延時等瓶頸的理想方案之一.硅基光電集成技術(shù)在光通信和數(shù)據(jù)中心互連等數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的運用,而自動駕駛、生物傳感和微波光子等領(lǐng)域也受到了硅基光電子技術(shù)發(fā)展的推動,開始向集成芯片的方案邁進.根據(jù)硅光器件的高集成度、重量小等特性,可以預(yù)見這項技術(shù)一個非常重要的應(yīng)用場景將是空間和輻射等復(fù)雜環(huán)境中的光互連,如衛(wèi)星、航天器和空間站等.與普通環(huán)境中應(yīng)用的硅基光電器件和集成芯片相比,工作在這些環(huán)境中的器件必須能夠長期承受各種輻射粒子,因為器件一旦受損或失效,便難以進行維修和更換.因此,硅基光電子器件和集成芯片在發(fā)射入軌之前,必須對器件在輻射環(huán)境下的性能進行評估,研究其穩(wěn)定性及可靠性以確保器件性能在整個使用周期內(nèi)正常工作.除了太空環(huán)境,硅基光電器件在高能物理實驗、近核反應(yīng)堆和高能粒子碰撞器等環(huán)境中也會受到輻射的作用.所以,研究硅基光電子器件在惡劣的輻射環(huán)境中性能受損的物理機理對進一步擴大硅基光電芯片的應(yīng)用范圍(如航空航天、核工業(yè)等)具有重要的科學(xué)意義和使用價值.在過去幾十年,輻射對集成電路芯片[2-4]、Ⅲ-Ⅴ族光電子器件[5-7]和光纖器件[8-16]的影響研究較多,但是關(guān)于硅基光電器件的輻射效應(yīng)研究較少.

2 輻射源與物質(zhì)的相互作用

一般來說,輻射源主要有X射線、γ射線、中子、質(zhì)子和α粒子等.應(yīng)用領(lǐng)域不同,器件遇到的輻射源類型和輻射強度也不同.按照輻射源的性質(zhì)通?？煞譃閹щ娏Ｗ印⒉粠щ娏Ｗ雍凸庾尤?

帶電粒子主要包括質(zhì)子、α粒子以及重離子.α粒子是帶2個單位正電荷、質(zhì)量數(shù)為4的氦離子;質(zhì)子是帶1個單位正電荷、質(zhì)量數(shù)為1的氫離子.硅基光電器件輻射效應(yīng)研究中常用的α粒子、質(zhì)子與物質(zhì)相互作用的形式主要是與靶原子核外電子發(fā)生非彈性碰撞逐漸損失能量,使靶材料電離和激發(fā).

不帶電粒子主要是指中子.中子與質(zhì)子的質(zhì)量相等,但中子與電子之間沒有靜電作用,不能直接使物質(zhì)電離.所以當(dāng)中子與物質(zhì)發(fā)生相互作用時,是與原子核內(nèi)的核力相互作用.相互作用的方式為彈性散射、非彈性散射和吸收.

光子主要是指X射線和γ射線.它們具有很強的穿透力,在與物質(zhì)原子的碰撞中會損失大部分或全部能量.光子與物質(zhì)相互作用的形式主要是光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對效應(yīng).圖1表示光子能量和物質(zhì)原子序數(shù)與三種效應(yīng)的關(guān)系.當(dāng)光子能量較低且原子序數(shù)較高時,主要發(fā)生光電效應(yīng); 當(dāng)光子能量較高且原子序數(shù)高時,主要發(fā)生電子對效應(yīng); 當(dāng)能量處于中間狀態(tài)且原子序數(shù)較低時,主要發(fā)生康普頓散射效應(yīng).這三種效應(yīng)都會使物質(zhì)的原子電離或激發(fā)產(chǎn)生次級電子.

圖1 光子能量和原子序數(shù)與三種效應(yīng)的關(guān)系Fig.1.Relationships between photon energy,atomic number and three effects.

材料在輻射環(huán)境中產(chǎn)生的損傷形式分為電離損傷和位移損傷.電離損傷是指輻射引起靶材料原子電離或激發(fā),從而產(chǎn)生電子空穴對.入射的射線散射在靶材料中的原子上,由于光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)、電子對效應(yīng)或輻射粒子的碰撞使靶原子的電子激發(fā)或碰撞出來成為自由電子,失去電子的原子成為帶正電荷的離子,產(chǎn)生了電子空穴對; 當(dāng)自由電子能量足夠高時,會穿過材料并進一步散射而損失能量產(chǎn)生新的電子空穴對.電離損傷取決于粒子的類型和粒子能量[5].在器件內(nèi)部沉積的能量長時間累積最終導(dǎo)致器件的各種性能變化的效應(yīng)稱為總電離劑量效應(yīng)[17].

位移損傷是指靶原子獲得入射粒子的全部或者部分能量之后離開原本的晶格位置并留下空位,離開晶格位置的原子如果移動到一個非晶格位置,則被稱為間隙原子,與空的晶格位置一起被稱為弗倫克爾缺陷對.移位的原子還可能撞擊其他原子,產(chǎn)生缺陷簇.位移損傷是由非電離輻射產(chǎn)生的累積效應(yīng)引起,非電離輻射源主要包括質(zhì)子、離子、能量高于150 keV的電子、中子或二次粒子等.

3 硅基光電器件的輻射效應(yīng)

硅基光電器件按照工作原理和功能可以分為無源器件和有源器件,圖2所示為一個典型的采用單路光源的光互連體系的工作過程：光源產(chǎn)生光信號,進入電光調(diào)制器后將電信號加載到光波上,光信號在硅基光波導(dǎo)內(nèi)傳輸,通過耦合器(低損耗耦合器件包括倒錐形耦合波導(dǎo)和光柵耦合器)對外輸出,根據(jù)片內(nèi)互連和片外互連應(yīng)用場景的不同通過波導(dǎo)或光纖輸出.在接收端,光信號進入光電探測器完成光電轉(zhuǎn)換后進行信號處理.為增加物理通道的信息傳輸容量,會采用波分復(fù)用、偏振復(fù)用、空分復(fù)用等各種復(fù)用方式,因此會在芯片上集成相關(guān)的復(fù)用/解復(fù)用無源器件,考慮硅基光電器件的偏振特性和模式特征,無源器件還包括偏振相關(guān)器件,如偏振旋轉(zhuǎn)器件和偏振分束器等.實現(xiàn)光電/電光轉(zhuǎn)換核心功能的高速調(diào)制器和探測器在工作機理上依賴于光和電的相互作用,因此在研究中也將這類有源器件與單純實現(xiàn)傳輸、復(fù)用、偏振和耦合等功能的無源器件區(qū)分,兩類器件在輻射環(huán)境中也有不同的作用機理.

圖2 硅光系統(tǒng)的信息傳輸過程Fig.2.Information transmission process of silicon optical system.

器件長期處在輻射環(huán)境下,材料的折射率會發(fā)生變化,材料發(fā)生致密化以及表面化學(xué)鍵變化等,這些變化會導(dǎo)致光波導(dǎo)器件的傳輸損耗增加,從而導(dǎo)致諧振器件的品質(zhì)因數(shù)變化以及諧振波長漂移,器件性能下降甚至失效.輻射誘導(dǎo)的變化取決于材料組成、總劑量、劑量率、輻射期間的溫度和濕度以及輻照后樣品的退火程度等[10].

3.1 無源器件的輻射效應(yīng)

硅基光波導(dǎo)是硅基光電子學(xué)芯片中最基本的無源器件,通過芯區(qū)和包層的折射率對比度將光的傳輸限制在芯區(qū)傳導(dǎo),波導(dǎo)層的折射率高于包層的折射率,基本原理是全內(nèi)反射.在硅基光電子學(xué)中,通常用Si作為波導(dǎo)芯層材料,SiO2作為波導(dǎo)包層材料來實現(xiàn)折射率的高對比度.

針對光波導(dǎo)的輻射效應(yīng)的早期研究主要集中在LiNbO3波導(dǎo)、聚合物波導(dǎo)、氮氧化硅(SiON)波導(dǎo)、非晶硅波導(dǎo)以及氮化硅(SiNx)波導(dǎo)的輻射效應(yīng).2007年,Lai等[18]研究了以Ti擴散、Ni擴散、Zi/Ni擴散、質(zhì)子交換和退火質(zhì)子交換五種方法制作的LiNbO3波導(dǎo)在總劑量為10 Mrad(Si)(單位質(zhì)量物質(zhì)吸收電離輻射的平均能量,本文的總劑量全部校準(zhǔn)至拉德硅)的60Co_γ射線輻射下的變化,實驗表明,在γ射線照射后,隨著總劑量的增加,LiNbO3波導(dǎo)的傳輸損耗變大,其中退火質(zhì)子交換法制作的LiNbO3波導(dǎo)的傳輸損耗較低,保持在1.2 dB/cm的水平.因為退火質(zhì)子交換法制作的波導(dǎo)在退火后受損的結(jié)構(gòu)會部分恢復(fù),抗輻照能力較其他四種好.隨后,他們又研究了聚合物波導(dǎo)的折射率在60Co_γ射線輻射下的變化,隨著輻射劑量增加,折射率線性增加,當(dāng)輻射劑量超過7.5 Mrad,折射率隨著輻射劑量的繼續(xù)增加反而降低[19].

微環(huán)諧振器(micro ring resonator,MRR)作為光學(xué)集成應(yīng)用中重要的器件,其工作原理是當(dāng)諧振器的光學(xué)長度是波長的整數(shù)倍時發(fā)生諧振,由于其對折射率變化很敏感,折射率的微小變化會由于光在結(jié)構(gòu)中循環(huán)而放大光譜結(jié)果.MRR目前主要應(yīng)用在光頻梳[20]、光學(xué)濾波器[21]以及高速電光調(diào)制器[22]上.MRR通常是由一個波導(dǎo)環(huán)和一根直波導(dǎo)組成,如圖3所示.對其輻射實質(zhì)上是對波導(dǎo)進行輻射.

圖3 微環(huán)諧振器的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3.Schematic diagram of micro ring resonator.

2005 年,IMEC的Dumon等[23]用60Co_γ射線輻照硅微環(huán)諧振器.在300 krad的總劑量下,標(biāo)準(zhǔn)的SOI波導(dǎo)制作的硅微環(huán)諧振器在被輻照后共振波長變化接近0.4 pm/krad.2015年,Bhandaru等[24]將硅微環(huán)諧振器暴露于總劑量11.5 Mrad的10 keV X射線和253 krad的662 keV137Cs_γ射線下,研究未鈍化的硅材料在輻射環(huán)境下折射率的變化情況.高能輻射使得未鈍化的硅材料表面加速被氧化生成二氧化硅,由于二氧化硅的折射率小于硅的折射率,輻射之后諧振器波導(dǎo)的有效折射率減小,共振波長發(fā)生藍(lán)移,對于已經(jīng)有天然氧化層的鈍化的硅微環(huán)諧振器,透射光譜沒有變化.2017年,麻省理工學(xué)院的Du等[25]研究了非晶硅(a-Si)和SiNx波導(dǎo)在60Co_γ射線輻照下的性能變化,總劑量為10 Mrad,如圖4所示,當(dāng)輻照發(fā)生在空氣中時,器件的折射率增加緩慢甚至減少,而在氬氣中器件的折射率隨著輻照劑量增加而增加.對于更高的總劑量,如100 krad,60Co_γ射線對鈍化的硅微環(huán)諧振器的折射率也沒有影響[26].2014年,Brasch等[27]發(fā)現(xiàn)在100 MeV的高能質(zhì)子輻射下,SiNx波導(dǎo)型微環(huán)諧振器的光學(xué)損耗沒有顯著變化,材料的折射率也基本沒有變化.Grillanda等[28]也研究了60Co_γ射線對非晶硅(a-Si)光波導(dǎo)的影響,總劑量15 Mrad,波導(dǎo)芯區(qū)是a-Si,包層分別涂覆SiO2和含氟聚合物,測試表明SiO2和a-Si材料的折射率沒有變化,然而在高度交聯(lián)的聚合物中隨著輻射劑量增加,交聯(lián)聚合物中由于化學(xué)鍵斷裂和自由基的形成導(dǎo)致分子量降低,增加了斷裂建的數(shù)量,從而增加聚合物的極化率,導(dǎo)致折射率增加,隨著輻射劑量繼續(xù)增大,聚合物的結(jié)構(gòu)退化導(dǎo)致折射率下降.他們還通過Mach-Zehnder干涉儀和微環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)研究α粒子輻射對SiON無源器件的影響[29].α粒子輻射導(dǎo)致芯層SiON波導(dǎo)的折射率增加高于包層SiO2折射率的增加,導(dǎo)致折射率對比度增加,損耗減少,品質(zhì)因數(shù)Q值提高.SiON的折射率介于SiO2和Si之間,可以用來制作高折射率纖芯材料[30].

圖4 有效折射率與γ射線的累積劑量的關(guān)系 (a) a-Si諧振器; (b) SiNx諧振器[25]Fig.4.Dependences of effective index changes on cumulative gamma radiation dose in (a) a-Si reso nators and (b) SiNx devices,inferred from optical resonator measurements[25].

對于表面無SiO2的器件,即未鈍化的器件,在高能光子束如γ射線或者X射線下產(chǎn)生鈍化的原因主要是因為空氣中的氧分子參與了氧化反應(yīng),大于5.1 eV能量的光子都可以將氧分子分解成活性氧原子和臭氧[25,31].輻射產(chǎn)生的自由電子和氧原子反應(yīng)產(chǎn)生O-和O2-離子,從而使表面氧化.當(dāng)氧化物達(dá)到一定厚度之后,氧化劑通過氧化層往材料內(nèi)部擴散的速度變慢從而抑制了生長[26].當(dāng)氧化飽和之后,輻射劑量對氧化層的生長影響不大.

對于未鈍化的硅器件或者SiNx器件,表面經(jīng)輻射催化生長的SiO2,其折射率小于Si的折射率,導(dǎo)致材料的有效折射率變小,從而產(chǎn)生一系列的影響; 對于鈍化的硅器件或者SiNx器件,輻射的影響較復(fù)雜.γ射線、X射線或者質(zhì)子等產(chǎn)生電離輻射,對于無源光子學(xué)應(yīng)用的器件中,沒有顯著影響; 然而α粒子等高能粒子轟擊波導(dǎo)時,輻射對波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)造成位移損傷,而且隨著劑量增加,波導(dǎo)結(jié)構(gòu)損傷也會增加,增加了SiO2的折射率,導(dǎo)致波導(dǎo)包層和芯層折射率對比度減少,對光的限制能力減弱.在輻照劑量為14 Mrad之后,光束將不再繼續(xù)在波導(dǎo)中傳輸[18].在CMOS工藝中,氧化物SiO2通常是用熱氧化方法制備的,是無定形態(tài),輻射之后SiO2的Si-O-Si鍵角會減小約10°[32],輻射誘導(dǎo)非晶原子網(wǎng)絡(luò)致密化導(dǎo)致折射率增加[31].折射率變化的原因也不是輻射誘導(dǎo)結(jié)晶[25].

上述器件是基于干涉原理的功能性無源器件,它們對折射率變化非常敏感,任何導(dǎo)致波導(dǎo)中有效折射率變化的因素,如波導(dǎo)的氧化、晶格的缺陷、材料的致密化等,都將導(dǎo)致其波長的變化.利用SOS(silica on silicon)實現(xiàn)的具有波分復(fù)用/解復(fù)用功能的陣列波導(dǎo)光柵(arrayed waveguide grating,AWG)屬于PLC (planar lightwave circuit)器件,由于其對折射率變化的敏感度較低[33,34],在總劑量為300 krad的60Co_γ射線輻照下,波長僅偏移0.03 pm/krad,所以這種SOS AWG在該劑量下能正常工作[23].

對于無源器件來說,其主要損傷機制可以歸結(jié)為輻射導(dǎo)致表面加速氧化、輻射導(dǎo)致的晶格缺陷或者輻射誘導(dǎo)的非晶原子網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)致密化,從而導(dǎo)致材料中的體光學(xué)性質(zhì)變化.現(xiàn)階段關(guān)于無源器件的輻射效應(yīng)研究主要針對的是一些單獨的功能性器件,如Mach-Zehnder干涉儀、微環(huán)諧振腔、陣列波導(dǎo)光柵等被輻照前后的折射率變化,以此來探究各種輻射源對無源器件的影響.雖然可以通過適當(dāng)?shù)耐嘶饋砘謴?fù)輻射引起的部分器件損傷,但是并不能完全解決硅基光電系統(tǒng)中無源器件在惡劣的輻射環(huán)境下性能會降低甚至失效的問題,需要針對性地提出抗輻射器件的設(shè)計方案.

3.2 有源器件的輻射效應(yīng)

硅基光電系統(tǒng)中的有源器件包括激光器、探測器和調(diào)制器等.目前研究的激光器主要是基于Ⅲ-Ⅴ族材料的激光器,由于Si是間接帶隙半導(dǎo)體,發(fā)光效率低,所以硅光系統(tǒng)中硅基發(fā)光器件很難制備,通常是采用Ⅲ-Ⅴ族發(fā)光材料如InP,GaAs,AlGaAs等和硅光電路混合集成來解決硅基光電子系統(tǒng)的發(fā)光問題[35].光電探測器低成本、小尺寸和高速響應(yīng)的優(yōu)勢使得其應(yīng)用前景較好,但目前僅有少數(shù)的機構(gòu)研究了硅基光電探測器的輻射效應(yīng),大部分機構(gòu)仍然重點研究基于Ⅲ-Ⅴ族光電探測器在輻照之后的性能變化,將Ⅲ-Ⅴ族探測器與硅基光電子芯片異質(zhì)集成也一直是硅光子研究的重要內(nèi)容和解決方案之一.對調(diào)制器的輻射效應(yīng)研究很少,主要是歐洲核子研究組織(CERN)針對硅光Mach-Zehnder調(diào)制器開展了一些研究,以及Sandia國家實驗室對Si-disk調(diào)制器的研究.

3.2.1 探測器

一直以來,研究人員都致力于制作高響應(yīng)速度、高響應(yīng)度、低暗電流,工作波段為1300-1550 nm的近紅外光電探測器.然而由于能帶結(jié)構(gòu)的固有特性,硅的禁帶寬度為1.1 eV,波長大于1100 nm的光很難吸收,因此制造光通信波段的探測器是困難的[36,37].鍺作為在紅外波段具有高響應(yīng)的材料,同時又具備與CMOS工藝兼容的制備技術(shù),故鍺硅探測器是目前被研究人員看好的硅基紅外光電探測器.硅基光電探測器主要包括體硅光電探測器和鍺硅光電探測器.

目前有少數(shù)關(guān)于硅基光電探測器的輻射效應(yīng)研究.Nikoli?等[38]發(fā)現(xiàn)硅基PIN光電二極管在60Co_γ射線下,總劑量為200 krad,光電流會減少,暗電流增加.意大利的Kumar等[39]用100 Mrad的60Co_γ射線輻射硅光探測器(n+/p/p+),反向漏電流增加.Ge-Si探測器在總劑量360 Mrad、能量為10 keV的X射線輻射下漏電流增加約兩倍[40].Seif El Nasr-Storey等[7]用20 MeV中子輻射Ge光電二極管,漏電流隨著中子注量增加而增加.Sandia國家實驗室用60Co_γ射線輻射Ge-Si光電二極管,在反向偏壓下,總劑量為1 Mrad的輻射增加了暗電流[41].

當(dāng)硅基光電探測器位于X射線或γ射線等強輻射環(huán)境中時,光子與束縛電子相互作用消耗動能,電子吸收能量導(dǎo)致電離,產(chǎn)生電子空穴對[42],主要通過康普頓散射的二次電子帶有能量,會繼續(xù)與晶格原子相互作用,導(dǎo)致晶格原子離開原來的晶格位置,產(chǎn)生間隙原子和空位,從而產(chǎn)生點缺陷,這和中子輻射引起的位移損傷一致.該缺陷會在帶隙中產(chǎn)生深能級,充當(dāng)產(chǎn)生復(fù)合中心,并且深能級會補償淺受主或者施主能級,導(dǎo)致有效載流子濃度減少,耗盡區(qū)變長,最終影響了光電流; 耗盡區(qū)的缺陷充當(dāng)復(fù)合或者隧穿效應(yīng)的陷阱,從而增加暗電流.這一系列輻射效應(yīng)導(dǎo)致探測器預(yù)期的響應(yīng)會受到影響,因此對硅光探測器的輻射效應(yīng)研究是很有必要的.

基于Ⅲ-Ⅴ族材料的探測器研究更成熟,這類探測器件的輻射效應(yīng)研究時間上也更早,典型的材料包括GaAs,AlGaAs,GaP和InGaAs.InGaAs和GaAs光電二極管在中子和π介子的輻射下,InGaAs二極管的暗電流顯著增加,響應(yīng)度迅速減弱,當(dāng)粒子注量(單位面積撞擊材料的粒子數(shù))大于1014particles/cm2時,二極管的性能開始退化,當(dāng)粒子注量達(dá)到1016particles/cm2左右時二極管近乎失效,然而GaAs的暗電流變化不明顯[43],但另有學(xué)者發(fā)現(xiàn)用類似的注量輻照類似的GaAs結(jié)構(gòu),輻射后暗電流增加了一個數(shù)量級[44].此外,不同的輻射源造成的損傷不同,191 MeV的π介子比20 MeV的中子造成的損傷高2-3倍[43].Gill等[45]用能量分別為0.8,6,20 MeV的中子和200 MeV的π介子輻射InGaAs/InP光電二極管,當(dāng)π介子注量達(dá)到2×1014pions/cm2時,二極管暗電流大約為10 μA,響應(yīng)度降低; 200 MeV的π介子對二極管造成的損傷比0.8,6.0,20.0 MeV中子造成的損傷分別高2.3,4.0,7.0倍.InGaAs光電二極管在20 MeV中子輻射下,暗電流隨著注量增加而增加[7].

電離輻射會在氧化物中和半導(dǎo)體-絕緣體界面產(chǎn)生帶正電的缺陷電荷,可以顯著減少p摻雜區(qū)的載流子濃度甚至使其反型.但對于PIN光電二極管,器件速度由載流子在本征區(qū)域的傳輸時間決定,由于半導(dǎo)體-絕緣體界面遠(yuǎn)離中心吸收區(qū),載流子遷移率受半導(dǎo)體-絕緣體界面附近的充電效應(yīng)的影響很小.電離輻射導(dǎo)致光電二極管產(chǎn)生的少量損傷相比于位移損傷產(chǎn)生的影響很小.輻射在光電二極管中的主要損傷機制還是位移損傷[5].輻射通過非電離能量損失導(dǎo)致耗盡區(qū)產(chǎn)生點缺陷,缺陷密度隨著總劑量增加而增多,耗盡區(qū)的缺陷充當(dāng)了重組或者隧穿效應(yīng)的陷阱中心,從而導(dǎo)致暗電流增加.

在反向偏置二極管中,耗盡區(qū)內(nèi)吸收的光產(chǎn)生的光電流通過漂移被收集,耗盡區(qū)外產(chǎn)生的光電流通過擴散被收集且過程較慢,主要取決于少數(shù)載流子的壽命.一般常用的光電二極管在較長的工作波長下主要是通過擴散的方式收集電荷,在這種二極管中,輻射導(dǎo)致載流子壽命縮短從而引起更多的輻射損傷[6].因此,限定入射光的波長范圍、調(diào)整光電二極管的摻雜水平和結(jié)寬度,使大部分光在耗盡區(qū)內(nèi)被吸收,從而減小電容并增加響應(yīng)時間,也能減輕輻射損傷.探測器性能會受到輻射的影響主要是因為輕摻雜本征區(qū)域中的暗電流在輻照過程中顯著增加[5],所以抑制探測器在被輻照過程中暗電流的增加是提高其抗輻射能力的關(guān)鍵.

3.2.2 電光調(diào)制器

硅基電光調(diào)制器的機理包括電吸收、等離子色散效應(yīng)和電光效應(yīng)等.目前最為成熟的硅基電光調(diào)制器是利用等離子色散效應(yīng),將半導(dǎo)體中自由載流子濃度變化引起的光子吸收變化轉(zhuǎn)換為折射率的變化[46],導(dǎo)致載流子濃度變化區(qū)域的折射率發(fā)生變化從而引起出射光的強度調(diào)制.可以預(yù)見等離子色散效應(yīng)調(diào)制器的有源區(qū)是高摻雜的(1017-1018cm-3).目前主要是CERN在重點研究Mach-Zehnder調(diào)制器(MZM)的輻射效應(yīng).MZM用于將電數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為光數(shù)據(jù)流,圖5為MZM的示意圖.MZM是基于Mach-Zehnder干涉儀(MZI)工作的器件,入射光束被均勻等分成兩個單獨的光束進入MZI的兩個臂中,在兩個臂中引入光程長度差 ΔL ,兩個光束在輸出端相對于彼此累積了不同的相位差 Δ? ,利用相位差產(chǎn)生相長干涉或相消干涉,當(dāng)兩個光束同相時,即 Δ? 是2π的整數(shù)倍時發(fā)生相長干涉,當(dāng)相位差 Δ? 是 π的整數(shù)倍時發(fā)生相消干涉,通過一個或兩個干涉儀臂中的相位調(diào)制可以有效地在MZI中實現(xiàn)幅度調(diào)制[47].

大型強子對撞機(LHC)升級到High Light(HL)-LHC之后,需要傳輸大量的實驗數(shù)據(jù),基于硅光子的互連模塊是整個大裝置的重要組成部件.為了研究粒子碰撞實驗的數(shù)據(jù)傳輸,CERN開始研究硅光Mach-Zehnder調(diào)制器的輻射效應(yīng)[45,47-54].在能量為20 MeV,注量為1.2×1015[48],2.0×1015[49]和3×1016n/cm2[45]的中子輻照下,調(diào)制器發(fā)生非電離輻射,對其性能沒有影響,這個結(jié)果歸因于器件中的摻雜濃度很高,非電離輻射產(chǎn)生的缺陷相比于摻雜濃度而言低了幾個數(shù)量級.而在總劑量為130 Mrad[48-50]、能量為10 keV的X射線下,調(diào)制器接收幾十Mrad的輻射劑量之后相移值就開始降低,主要原因是電離輻射的產(chǎn)生.上述研究結(jié)果表明電離輻射導(dǎo)致MZM的光學(xué)調(diào)制性能顯著降低.為了解決這個問題,CERN分別研究了波導(dǎo)刻蝕深度、耗盡區(qū)摻雜濃度以及反向偏壓對器件輻射響應(yīng)的影響.在電離輻射下,深蝕刻波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的相移比淺蝕刻波導(dǎo)的相移更大[51].淺蝕刻波導(dǎo)比深蝕刻波導(dǎo)更耐輻射,但是其吸收損耗更大[52].所以需要適當(dāng)考慮參數(shù)條件以平衡調(diào)制效率、損耗和抗輻射性能等因素.移相器耗盡區(qū)的摻雜濃度越高,相移越大[47].反向偏壓的值也會影響MZM的抗輻射性能[53],反向偏壓增加了器件中的電場,導(dǎo)致大部分空穴從與電子的重組中逃逸而朝界面處運動,這些空穴在Si-SiO2界面附近的SiO2中被俘獲,自由載流子濃度降低,折射率的變化降低,相移降低.輻照期間施加反向偏壓的相移比未施加反向偏壓的相移下降得更快,施加的反向偏壓越大,相移降低的速度越快.

圖5 MZM的示意圖[47]Fig.5.Schematic diagram of MZM[47].

CERN所做的粒子碰撞實驗中輻射水平最高的區(qū)域工作溫度通常低至-30 ℃,所以溫度對器件的輻射效應(yīng)的影響也在研究范圍內(nèi),對于深蝕刻和淺蝕刻器件,抗輻射性能隨溫度的降低顯著增加,歸因于溫度越低空穴遷移率越低.對輻照后的MZM施加正向電流進行退火,即使當(dāng)輻射劑量達(dá)到300 Mrad之后器件的損傷也能基本恢復(fù)[54].因此在低劑量率和需要定期關(guān)閉器件的應(yīng)用中加入退火可以顯著地增加硅光MZM器件的抗輻射性.

Sandia國家實驗室研究了垂直結(jié)Si-disk調(diào)制器在60Co_γ射線下的輻射效應(yīng),總劑量為1 Mrad,輻射之后器件的反向電流顯著增加,輻射靈敏度增加[41].Si-disk調(diào)制器是諧振器件,它的光譜響應(yīng)隨著載流子濃度變化而變化.反向偏壓下,電離輻射在氧化物和半導(dǎo)體-絕緣體界面積累正缺陷電荷,導(dǎo)致載流子濃度減少甚至使器件表面附近的p摻雜半導(dǎo)體反型,折射率減小.

對于Mach-Zehnder調(diào)制器或者Si-disk調(diào)制器等電光調(diào)制器來說,通過非電離能量損失產(chǎn)生的位移損傷產(chǎn)生的缺陷相比于硅中的高摻雜濃度而言低了幾個數(shù)量級,所以位移損傷對其性能基本無影響.然而通過電離能量損失產(chǎn)生的電離輻射在氧化物中形成正捕獲電荷、在Si-SiO2界面累積正缺陷電荷,在電場作用下,P摻雜區(qū)的載流子濃度減少甚至產(chǎn)生夾斷效應(yīng),從而減少有效折射率,導(dǎo)致光學(xué)性能變差.

近幾年國外才著手研究硅光調(diào)制器的輻射效應(yīng),國內(nèi)還沒有相關(guān)研究,因此可供參考的數(shù)據(jù)較少.調(diào)制器作為收發(fā)機上重要的模塊,在輻射環(huán)境中對其性能開展研究對于硅基光電子集成器件的空間應(yīng)用有巨大推動作用.CERN已經(jīng)研究了調(diào)制器在X射線和中子輻射下的性能變化,Sandia國家實驗室研究了60Co_γ射線下Si-disk調(diào)制器的輻射效應(yīng),然而由于空間中的輻射主要是電子、質(zhì)子和少量的重離子等,所以還需要進行更多相關(guān)的輻射研究工作.硅基電光調(diào)制器在粒子碰撞實驗中的使用對于調(diào)制器在空間中的應(yīng)用有很重要的參考作用.

3.3 其他器件的輻射效應(yīng)

3.3.1 激光器

激光器的基本原理是施加正向偏壓時在p-n結(jié)處發(fā)生受激發(fā)射,激光發(fā)生在特定閾值電流之上.激光二極管的光輸出與復(fù)合率或過量的少數(shù)載流子壽命相關(guān).

60Co_γ射線產(chǎn)生電離輻射對激光器造成損傷,損傷程度與輻射劑量有關(guān).電離輻射降低了少數(shù)載流子壽命,這是由于非輻射復(fù)合中心的數(shù)量增加,會與輻射復(fù)合中心爭奪過量載流子,導(dǎo)致量子效率降低,所以激光器閾值電流升高.最早的研究出現(xiàn)在1970年,GaAs激光器在60Co_γ射線電離輻射下,其閾值電流略有升高,光強稍有減小[55].InGaAsP激光二極管被1 krad劑量的60Co_γ射線輻射后其光功率損失約10%[56].高功率激光二極管陣列在劑量為4 Mrad的60Co_γ射線的輻射下,閾值電流和量子效率值所受的影響較小[57].劑量高達(dá)100 Mrad的60Co_γ射線不會導(dǎo)致高功率激光二極管破壞性失效,輸出功率僅輕微降低[58,59].激光器在相對高電流密度且短的載流子壽命條件下工作,對電離輻射的靈敏度相對較低[57].電離輻射引起的復(fù)合中心能量較低,可以通過熱退火或者正向偏置二極管恢復(fù)閾值電流,室溫下隨著時間推移也可以發(fā)生退火從而恢復(fù)少部分損傷.

晶格的位移損傷對激光二極管的影響很大.材料晶格中產(chǎn)生的弗倫克爾缺陷對,會在禁帶中引入深能級,這些能級充當(dāng)陷阱和非輻射復(fù)合中心,位移損傷也會引起材料折射、吸收或者散射的變化以及一些電學(xué)性能如載流子壽命、電阻和載流子遷移率等變化.十幾年前,研究者們已經(jīng)研究了AlGaAs和GaAs激光器二極管在幾MeV到幾百MeV的質(zhì)子下的輻射效應(yīng).研究表明垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)暴露在4.5 MeV的質(zhì)子下,粒子注量范圍為(1-9)×1013p/cm2,其閾值電流會升高[60].近紅外波段的光發(fā)射二極管在50 MeV的質(zhì)子輻射下,1010-1011p/cm2的注量,AlGaAs-GaAs雙異質(zhì)結(jié)LED比兩性摻雜劑制造的同質(zhì)結(jié)GaAs擴散LED的性能降低更少,因為后者對位移損傷更敏感[61].當(dāng)質(zhì)子能量高達(dá)500 MeV時,注量范圍為1011-1012p/cm2,AlGaAs-GaAs雙異質(zhì)結(jié)LED更抗質(zhì)子損傷,而單異質(zhì)結(jié)器件表現(xiàn)出類似于兩性摻雜LED的靈敏度[62].在粒子注量為1015particles/cm2,能量為20 MeV的中子和191 MeV的π介子輻射下,VCSEL比邊緣發(fā)射激光器更抗輻射,短波長器件比長波長器件表現(xiàn)更好[63],體積越小的激光器顯示出更高的抗輻射損傷能力[43].Sandia的環(huán)形核研究反應(yīng)堆(ACRR)上進行的一項研究表明,激光二極管受到粒子注量為1.0×1014n/cm2的中子脈沖輻射,閾值電流顯著升高[56].文獻(xiàn)[43,63]建立了一個速率方程模型,該模型結(jié)合了退火的信息,用來預(yù)測在比典型的輻照測試低得多的粒子注量下使用時發(fā)生的性能退化.

激光二極管的性能在γ射線照射下不會發(fā)生明顯惡化,表明激光二極管對電離輻射相對不敏感,相反,其對中子和質(zhì)子等輻射引起的位移損傷很敏感.例如中子輻射對激光二極管造成的損傷比γ射線對其造成的損傷高約100倍[57].為了最大限度地減輕輻射效應(yīng),激光器應(yīng)具有下列特征：閾值電流低、出色的散熱能力、少數(shù)載流子壽命低、初始光輸出功率高.另外,激光二極管腔長的變化會影響其抗輻射性能,因此在輻射加固和器件性能之間需要權(quán)衡考慮.

3.3.2 光 纖

光纖被廣泛用于光通信和光纖傳感,但是在空間等輻射環(huán)境下,光纖會產(chǎn)生輻射致衰減(RIA)[15].輻射對光纖的影響主要是導(dǎo)致光纖中形成色心,色心本質(zhì)上是輻射引起的點缺陷,色心會強烈吸收光纖中的傳導(dǎo)光,增加RIA.光纖中摻雜可以改變SiO2的折射率,因此芯區(qū)和包層的摻雜劑類型會強烈地影響光纖的抗輻射性.通常摻入Ge或P增加SiO2的折射率,然而摻入F或B會降低折射率.一般芯區(qū)的摻雜劑是Ge和P.研究表明,1 MeV的脈沖X射線,1.2 MeV的連續(xù)γ射線和14 MeV的中子分別輻射芯區(qū)摻雜Ge,GeP和P的光纖,對于P摻雜或者GeP摻雜的光纖,輻射劑量越大,RIA值越大,隨著波長增大(300-1100 nm),RIA值減弱,其中沒有P摻雜的光纖其RIA較低,且隨著輻射劑量呈非線性變化,三種輻射源對光纖的RIA影響類似[11].同樣,在總劑量為1100 Mrad的γ射線下對光纖進行輻照,實驗結(jié)果表明光纖摻雜量越少其RIA值越低[64].更多光纖的輻射效應(yīng)研究的相關(guān)內(nèi)容,Sporea等[9]較好地詳述過.

在過去十年間,隨著新材料、新技術(shù)和光纖在輻射環(huán)境中的應(yīng)用不斷涌現(xiàn),關(guān)于光纖的輻射效應(yīng)研究已經(jīng)取得一定的進展.光纖在輻射環(huán)境中應(yīng)用時可能遇到的輻射類型有X射線、γ射線、電子束、α粒子、中子和質(zhì)子等,光纖的性能會受到這些輻射源性質(zhì)的影響,也會受到光纖自身的參數(shù)、溫度、輻射源的劑量和劑量率等因素的影響.輻射雖然會使光纖中產(chǎn)生色心,但是色心并不完全穩(wěn)定,一般可通過改變摻雜劑、溫度等條件使色心部分退火,從而改變光纖的耐輻射性.

4 硅光器件的輻射加固和應(yīng)用展望

目前在硅光器件的輻射效應(yīng)研究工作中,可供參考的試驗和數(shù)據(jù)較少,而關(guān)于硅光器件的輻射加固研究更為稀缺.無源器件在輻照下發(fā)生性能變化主要是因為輻射引起材料產(chǎn)生晶格缺陷、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)致密化或者表面氧化等,從而導(dǎo)致材料的折射率變化,通過改變器件的結(jié)構(gòu),例如在器件表面生長一層氧化層充當(dāng)鈍化層,可以適當(dāng)?shù)卦黾悠骷馆椛湫?然而Si表面生長的自然氧化層厚度只能達(dá)到40 ?左右,而且只能一定程度地提高抗輻射性.輻射產(chǎn)生的具體影響與輻射源能量和劑量以及操作溫度有關(guān)[32].

有源器件的輻射加固可參考CERN在研究MZM的輻射效應(yīng)時提出的改變器件抗輻射性能的措施：他們通過改變波導(dǎo)的寬度、耗盡區(qū)摻雜濃度、波導(dǎo)的蝕刻深度(深蝕刻、淺蝕刻)、芯區(qū)和包層的材料以及摻雜的寬度等因素,從而降低器件對輻射的敏感度.硅基微電子SOI器件的輻射加固技術(shù)對硅光器件的輻射加固研究也有參考作用.SOI器件中的絕緣埋層和淺溝槽隔離氧化層對輻射最為敏感,通常可以從材料的改性、特殊工藝和器件結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面入手來降低SOI器件對輻射的敏感度[4,65].在制作過程中也要注意不要引入大量的氫,因為氫的存在會使正缺陷電荷更接近氧化物-半導(dǎo)體界面,使界面態(tài)能級位置更接近禁帶中心,器件性能更容易產(chǎn)生退化[66].在光電器件中,當(dāng)輻射停止之后再次給器件施加電流時,器件會發(fā)生退火,即在器件重新開始工作時,輻射產(chǎn)生的損傷會部分恢復(fù); 但是當(dāng)輻射對器件造成永久性的損傷時,退火就不再起作用.

硅光器件的輻射效應(yīng)研究目前還都比較分散,硅基光電子技術(shù)在空間的系統(tǒng)應(yīng)用需要研究整個硅基光電集成芯片的輻射效應(yīng)以使其能夠適應(yīng)空間復(fù)雜的輻射環(huán)境.如果能夠熟悉硅基光電集成器件的輻射效應(yīng)并能設(shè)計出具有一定抗輻射性能的器件,那么硅基光電子集成芯片在空間中的應(yīng)用前景會非常廣闊.