質(zhì)子入射AlxGa1-xN 材料的位移損傷模擬*

何歡 白雨蓉 田賞 劉方 臧航 柳文波? 李培? 賀朝會??

1) (西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,西安 710049)

2) (北京大學(xué)物理學(xué)院,北京 100084)

氮化鎵材料由于優(yōu)良的電學(xué)特性以及耐輻照性能,其與不同含量AlxGa1-xN 材料組成的電子器件,有望應(yīng)用于未來空間電子系統(tǒng)中.然而目前關(guān)于氮化鎵位移損傷機(jī)理研究多關(guān)注于氮化鎵材料,對于 AlxGa1-xN材料位移損傷研究較少.本文通過兩體碰撞近似理論模擬了 10 keV—300 MeV 質(zhì)子在不同 Al 元素含量的AlxGa1-xN 材料中的位移損傷機(jī)理.結(jié)果表明質(zhì)子在AlxGa1-xN 材料中產(chǎn)生的非電離能損隨質(zhì)子能量增大而下降,當(dāng)質(zhì)子能量低于 40 MeV 時,非電離能損隨著 Al 含量的增大而變大,當(dāng)質(zhì)子能量升高時該趨勢相反;分析由質(zhì)子導(dǎo)致的初級撞出原子以及非電離能量沉積,發(fā)現(xiàn)不同AlxGa1-xN 材料初級撞出原子能譜雖然相似,然而 Al 元素含量越高,由彈性碰撞產(chǎn)生的自身初級撞出原子比例越高;對于質(zhì)子在不同深度造成的非電離能量沉積,彈性碰撞導(dǎo)致的能量沉積在徑跡末端最大,而非彈性碰撞導(dǎo)致的能量沉積在徑跡前端均勻分布,徑跡末端減小,并且低能質(zhì)子主要是通過彈性碰撞造成非電離能量沉積,而高能質(zhì)子恰好相反.本研究揭示了不同 Al 元素含量的AlxGa1-xN 材料質(zhì)子位移損傷機(jī)理,為 GaN 器件在空間輻射環(huán)境下的應(yīng)用提供參考依據(jù).

1 引言

半導(dǎo)體技術(shù)在移動通信、軌道交通、雷達(dá)探測等領(lǐng)域迅速發(fā)展,目前已經(jīng)成為國民經(jīng)濟(jì)的重要組成部分之一.第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料氮化鎵(gallium nitride,GaN) 由于具有寬禁帶、高擊穿場強(qiáng)以及電子遷移率、高巴利加優(yōu)值[1-3]等優(yōu)點(diǎn),近些年來在發(fā)光、電源供電、高頻通信、電動汽車等領(lǐng)域中都有大規(guī)模應(yīng)用.此外,由于其具有較強(qiáng)的高輻射耐受性,在未來的太空應(yīng)用中也顯示出巨大的潛力,歐洲航天局也于近些年在多個空間通信系統(tǒng)和衛(wèi)星中搭載了GaN 器件[4,5].然而,對工作于空間環(huán)境中的航天器而言,其在空間輻射環(huán)境中面臨的輻射環(huán)境主要有以下三種來源:銀河宇宙射線、太陽宇宙射線以及范艾倫輻射帶,其包含的質(zhì)子、電子以及重離子等,都會在半導(dǎo)體器件和材料內(nèi)部造成能量沉積,產(chǎn)生電子-空穴對或造成晶格原子移位,從而造成電離損傷或位移損傷[6],導(dǎo)致器件的性能衰退、壽命縮短甚至發(fā)生故障,影響航天任務(wù)的完成.相比于硅基器件,GaN 高電子遷移率晶體管 (high electron mobility transistors,HEMT) 具有較強(qiáng)的抗電離輻射能力,位移損傷效應(yīng)是其內(nèi)部主要的輻射損傷效應(yīng)[7].

目前已有大量實(shí)驗(yàn)和理論研究[8-18]報道了輻射粒子在GaN 器件或者材料產(chǎn)生的位移損傷影響,且對位移損傷相關(guān)的研究目前多關(guān)注輻照后的材料缺陷識別,然而由于實(shí)際工藝上的摻雜濃度以及器件結(jié)構(gòu)的差異,對缺陷的確定尚未達(dá)成統(tǒng)一的認(rèn)識,因此需要從輻射粒子入射材料角度對GaN 器件及材料的位移損傷效應(yīng)機(jī)理開展研究,提高其在輻射環(huán)境下的可靠性與穩(wěn)定性.

非電離能損(non-ionizing energy loss,NIEL)是衡量、預(yù)測以及揭示輻射粒子造成位移損傷背后機(jī)理的關(guān)鍵參數(shù)與性質(zhì)[19,20],通過 NIEL 的表征,可以很好地表征材料的抗位移損傷能力[7,21,22].同時,研究由輻射粒子造成的初級撞出原子 (primary knock-on atom,PKA)種類和能譜,也可以較好地描述位移損傷效應(yīng)機(jī)理,該性質(zhì)也可以為位移損傷效應(yīng)的多尺度模擬提供關(guān)鍵的能譜信息[23,24].然而,由于這兩種性質(zhì)均發(fā)生在極小的時間和空間尺度,目前對其實(shí)驗(yàn)測量還很困難,這也使得計(jì)算模擬成為研究其行為的必要工具,其中應(yīng)用最多的是兩體碰撞近似.已有相關(guān)研究針對GaN 材料中不同輻射粒子所造成的 PKA 能譜[25]和NIEL 大小[7,21,26,27]進(jìn)行計(jì)算.然而隨著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展,GaN 材料通常會與不同占比的AlxGa1-xN 材料形成異質(zhì)結(jié)從而制成不同的器件.對于不同占比AlxGa1-xN 材料,已有相關(guān)實(shí)驗(yàn)[28]表明其位移損傷有較大的差異,但是其背后機(jī)理尚不清晰.因此,為了探究空間輻射環(huán)境對AlxGa1-xN 材料的影響,本文以空間輻射環(huán)境中含量最多粒子質(zhì)子為輻射粒子,基于兩體碰撞方法進(jìn)行了一系列位移損傷模擬計(jì)算,主要探究了Al 元素含量對質(zhì)子在AlxGa1-xN 材料中的位移損傷造成的 NIEL 影響,并通過分析 PKA 能譜分布以及損傷能隨深度分布探究其背后的機(jī)理.

2 模擬方法

2.1 NIEL 計(jì)算方法

對于半導(dǎo)體材料中位移損傷效應(yīng)的評估與衡量,目前常用 NIEL 來比較不同粒子與不同材料之間產(chǎn)生位移損傷的大小,其計(jì)算公式如下[29,30]:

式中,η 為靶材料密度;Td為離位閾能值;Q為反沖原子能量;Qmax為轉(zhuǎn)移到材料的最大能量;dσ/dQ(E)為反應(yīng)截面,G(Q) 為能量為Q的反沖原子對應(yīng)能量分離函數(shù).對于G(Q) 分離函數(shù),多用 Lindhard 能量分離函數(shù)[31]以及基于該函數(shù)改進(jìn)的 Robinson[32]和Akkerman[33]函數(shù).(1)式經(jīng)過積分求和后可簡化為[34]

式中,Tdam為平均非電離損傷能,ρ 則為材料密度,h為靶材料厚度.

2.2 模擬設(shè)置

本文采用位移損傷模擬中應(yīng)用較為廣泛的Geometry and Tracking (Geant4)10.5 軟件[34,35],該軟件由歐洲核子研究中心 (CERN) 主導(dǎo)開發(fā),是一個以蒙特卡羅方法為基礎(chǔ),可以模擬多種能量以及多種粒子與不同材料的相互作用,廣泛應(yīng)用于輻射物理計(jì)算領(lǐng)域.

為了準(zhǔn)確模擬質(zhì)子與AlxGa1-xN 材料的相互作用,采用 QGSP-BIC 標(biāo)準(zhǔn)物理列表,該列表能很好地描述 TeV 以下質(zhì)子與材料的相互作用,但對于低能彈性碰撞的描述較差.因此在模擬計(jì)算中還添加了庫侖屏蔽模型[36,37].在模擬質(zhì)子入射材料時,選取單能粒子點(diǎn)源作為粒子源,其在平行于Z軸方向上向材料內(nèi)部發(fā)射.為了確保準(zhǔn)確性和統(tǒng)計(jì)性,主要模擬了 10 keV—300 MeV 能量范圍內(nèi)的質(zhì)子入射材料過程,該能量范圍主要涵蓋了空間環(huán)境中的質(zhì)子能譜以及目前大多數(shù) GaN 器件與AlxGa1-xN 材料的質(zhì)子輻照實(shí)驗(yàn).同時對 1 MeV以上能量的質(zhì)子,入射數(shù)目選擇為 2×106個,而對1 keV—1 MeV 能量范圍內(nèi)的質(zhì)子,入射數(shù)目選擇 2×107個.為了探究 Al 元素含量對AlxGa1-xN材料質(zhì)子位移損傷的影響,x分別選取為 0,0.3,0.5,0.7,1.0,材料密度分別對應(yīng)為 6.10,5.49,4.75,4.02,3.26 g/cm3.

本文整個模擬中主要采用兩種體積模型,薄靶近似模型以及無限厚靶模型,如圖1 所示.其中在計(jì)算單能質(zhì)子產(chǎn)生 NIEL 大小時采用薄靶近似模型,其厚度通常定義為該能量下質(zhì)子 10% 的射程大小,這主要是在計(jì)算單能質(zhì)子 NIEL 總體大小時,過厚材料會導(dǎo)致質(zhì)子能量岐離,高估 NIEL 的大小,無法與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比對.而在探究其背后的損傷機(jī)理時,采用的是無限厚靶模型,以充分探究不同能量質(zhì)子在入射AlxGa1-xN 材料中的位移損傷效應(yīng)規(guī)律.無限厚靶模型將模擬體系定義為一個無限厚度的材料,可以記錄質(zhì)子在全射程內(nèi)的運(yùn)動過程.

圖1 位移損傷模型 (a) 薄靶近似模型;(b) 無限厚靶模型Fig.1.Displacement damage models:(a) Thin target approximation model;(b) infinite thick target model.

2.3 準(zhǔn)確性驗(yàn)證

NIEL 是比較不同輻射粒子在不同材料中造成損傷的重要參數(shù),本節(jié)利用薄靶近似模型,統(tǒng)計(jì) 10 keV—300 MeV 質(zhì)子入射 GaN 材料產(chǎn)生的NIEL 大小,并與文獻(xiàn)[21]中的 GaN NIEL 計(jì)算值進(jìn)行比對以驗(yàn)證本研究模型的準(zhǔn)確性.在本模型中采用了第一性原理中關(guān)于離位閾能的計(jì)算結(jié)果,其中由第一性原理得到 Ga和N 原子的離位閾值(Td) 分別為 73.2 eV和32.4 eV[38],圖2 為本文薄靶近似模型與文獻(xiàn)值的對比結(jié)果.

由圖2 中數(shù)據(jù)可知,本文所采用模型與之前的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果[21,27]一致,表明了本文計(jì)算模型的合理性和準(zhǔn)確性,即低能質(zhì)子產(chǎn)生的 NIEL 大,是導(dǎo)致位移損傷的主要因素.然而在低能量下(＜ 5 keV),本文兩種結(jié)果均低于文獻(xiàn)[21]中的報道,這主要是由于 Khanna等[18,23,38]在計(jì)算 NIEL時,選取的 Ga和N 原子Td為10 eV和14 eV,該值與后來理論計(jì)算文獻(xiàn)報道相比較低,因此在低能處高估了 NIEL.除此之外,在高能量下 (＞ 5 keV)的結(jié)果一致性也表示當(dāng)質(zhì)子能量較高時,離位閾能的選擇對 NIEL 計(jì)算大小無顯著影響.

3 結(jié)果與分析

3.1 質(zhì)子入射AlxGa1-xN 材料的非電離能損計(jì)算

基于以上位移損傷模型的介紹與驗(yàn)證,本文首先對于不同能量單能質(zhì)子在5 種AlxGa1-xN 材料造成的 NIEL 大小進(jìn)行計(jì)算,其中 Al 原子的離位閾能為 94 eV[39],結(jié)果如圖3 所示.在不同質(zhì)子能量下,5 種AlxGa1-xN 材料的 NIEL 的變化趨勢相似,即都隨著質(zhì)子能量增大而逐漸減小.然而,NIEL 大小與 Al 元素的含量并不是呈現(xiàn)單調(diào)相關(guān)性.隨著 Al 元素含量的變化,NIEL 的變化可分為兩個不同區(qū)間.當(dāng)質(zhì)子能量低于約 40 MeV時,Al 元素含量較高的材料具有較高的 NIEL.例如,當(dāng)質(zhì)子能量在 10 keV 左右時,AlN的NIEL(3.04 MeV·cm2/g)能達(dá)到 GaN(1.63 MeV·cm2/g)的2 倍.然而在更高的質(zhì)子能量下 (大于 40 MeV),這種變化趨勢是相反的,即 Al 含量高的材料實(shí)際上具有更低的 NIEL.當(dāng)質(zhì)子能量為 100 MeV,GaN的 NIEL是3.33×10-3MeV·cm2/g,而 AlN的NIEL值僅為 1.97×10-3MeV·cm2/g.

圖3 不同能量質(zhì)子在AlxGa1-xN 材料中產(chǎn)生的 NIEL 大小Fig.3.The values of NIEL in AlxGa1-xN materials induced by protons with different energies.

該計(jì)算結(jié)果與 Hayers等[28]進(jìn)行的 GaN 以及 AlGaN 低能質(zhì)子實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象對應(yīng),在應(yīng)用 2 MeV質(zhì)子輻照兩種材料后,GaN 的載流子去除率為257 cm-1,而 AlGaN 的載流子去除率可以達(dá)到510 cm-1,是其2 倍之多,這表明在遭受低能質(zhì)子輻照后,Al 元素含量更多的材料位移損傷更嚴(yán)重.

3.2 質(zhì)子入射AlxGa1-xN 材料產(chǎn)生的 PKA種類和能譜分析

由于 PKA 的產(chǎn)生是造成 NIEL 的最主要原因,為了進(jìn)一步探究 Al 元素含量對 NIEL 大小影響機(jī)理,對質(zhì)子在AlxGa1-xN 材料中產(chǎn)生的 PKA能譜進(jìn)行分析,以下研究均采用了無限厚靶模型以更全面地研究質(zhì)子在整個材料中的位移損傷效應(yīng)規(guī)律.

首先對不同質(zhì)子在 GaN 體材料中造成位移損傷的 PKA 總能譜進(jìn)行研究,結(jié)果如圖4(a)所示,其中該能譜已進(jìn)行歸一化,歸一化系數(shù)為能量和PKA 總數(shù)目乘積,能量區(qū)間為1 eV.由圖4 可以看出,盡管 PKA 最大能量隨著質(zhì)子能量的增大而明顯增大,但 PKA 能量的主要分布范圍卻沒有受到明顯的影響,而且隨著 PKA 能量的增大,其數(shù)量也明顯減少.對于不同質(zhì)子能量,其產(chǎn)生的大部分 PKA 能量主要分布在1 keV 到幾十 keV 之間.

同時,統(tǒng)計(jì)不同類型PKA 占比,發(fā)現(xiàn)不同能量質(zhì)子產(chǎn)生的PKA 類型不同,根據(jù) PKA 的原子類型將其主要分為5 類.1)材料本身元素對應(yīng)的PKA(自PKA):Ga PKA 和N PKA;2)中子;3)質(zhì)子;4)輕 PKA (2 ≤Z＜ 13,N 除外);5)重 PKA(13 ≤Z＜ 34,Ga 除外),圖4(b)所示為不同類型PKA 占比隨質(zhì)子能量的變化.當(dāng)質(zhì)子能量低于0.1 MeV 時,由于此時質(zhì)子只與材料發(fā)生彈性碰撞,且由于 N 元素質(zhì)量較小,質(zhì)子與其反應(yīng)截面較大,導(dǎo)致只有 N PKA 撞出.當(dāng)質(zhì)子能量逐漸增大到10 MeV 時,這一階段質(zhì)子與 Ga 元素的反應(yīng)截面變大,所以導(dǎo)致 Ga PKA 的占比越來越大,N PKA 的占比逐漸減小.當(dāng)質(zhì)子能量大于10 MeV時,此時質(zhì)子與材料開始發(fā)生非彈性碰撞,中子、質(zhì)子以及其他粒子開始產(chǎn)生,并隨著質(zhì)子能量的增加逐漸成為主要成分,這些 PKA 占比順序?yàn)?中子＞質(zhì)子＞輕 PKA＞重 PKA.此外,Ga PKA 和N PKA 的能量集中在50 keV 以下,而其他粒子能量其他類型 PKA 的能量主要分布100 keV—1 MeV 之間,這表明低能質(zhì)子輻照GaN 材料產(chǎn)生的自 PKA 能量在10—50 keV.該結(jié)果可以直接應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)或多尺度模擬中,在硅的多尺度模擬[40,41]以及金屬的多尺度模擬中[42-44],PKA 能量是一個極重要參數(shù),其大小直接決定了下一階段分子動力學(xué)模擬的輸入.

對于其他4 種AlxGa1-xN 材料,采用同樣的方法分析其PKA 能譜,并與以上GaN 材料的質(zhì)子入射的能譜結(jié)果進(jìn)行對比,PKA 總能譜結(jié)果顯示4 種PKA 能譜形狀與GaN 形狀類似,這表明Al 元素的加入對PKA 能譜的分布沒有顯著影響.然而由于Al 元素的引入,AlxGa1-xN 材料中彈性碰撞比例有所不同,因此,圖5 主要展示了不同能量的質(zhì)子在5 種AlxGa1-xN 材料中產(chǎn)生彈性碰撞事件占總碰撞事件比例.結(jié)果顯示,Al 元素含量越高,質(zhì)子與其發(fā)生彈性碰撞比例越高,并且該比例與Al 元素含量呈線性相關(guān).當(dāng)質(zhì)子能量低于10 MeV 時,99% 的質(zhì)子與材料發(fā)生的是彈性碰撞,而當(dāng)質(zhì)子能量上升后,該比例下降速度增大.這主要是由于Al 元素較輕的原子質(zhì)量以及較低的密度共同導(dǎo)致的.

圖5 不同能量質(zhì)子在AlxGa1-xN 材料中產(chǎn)生彈性碰撞事件的占比Fig.5.The fraction of elastic collision events in AlxGa1-xN materials induced by protons with different energies.

3.3 質(zhì)子入射AlxGa1-xN 材料的損傷能隨深度分布

基于以上對質(zhì)子入射AlxGa1-xN 體材料的 PKA信息,進(jìn)一步對這些 PKA 在材料內(nèi)部造成的損傷能(Tdam)進(jìn)行分析,將其按質(zhì)子射程劃分為100 個等長的區(qū)間,圖6 描述了不同能量質(zhì)子在AlxGa1-xN 體材料中產(chǎn)生Tdam隨深度分布的變化趨勢.

圖6 不同能量質(zhì)子在AlxGa1-xN 材料中沉積的Tdam 隨深度分布 (a) 150 keV;(b) 10 MeV;(c) 50 MeV;(d) 200 MeVFig.6.Distribution of deposited Tdam with depth in AlxGa1-xN materials irradiated by protons with different energies:(a) 150 keV;(b) 10 MeV;(c) 50 MeV;(d) 200 MeV.

對于Tdam在深度方向的分布,質(zhì)子的能量對于其分布形狀沒有較大影響,即在質(zhì)子射程末端,都有一個較明顯的布拉格峰.該布拉格峰位置與質(zhì)子的射程具有極強(qiáng)的相關(guān)性,大約位于質(zhì)子射程的80%—100%,且隨著質(zhì)子能量的增大,該比例越來越大.此外,由圖6 曲線可知,該峰位置將整個Tdam隨深度的分布劃分為兩部分區(qū)域,即布拉格峰前半部分的平滑區(qū),以及后半部分的下降區(qū)域.

然而由于 Al 元素含量的不同,不同AlxGa1-xN體材料中這兩部分區(qū)域的分布有所差異.對于低能質(zhì)子,圖6(a),(b)結(jié)果顯示含 Al 元素多的材料峰值位置更深,其數(shù)值也更大.因此,AlN的Tdam峰值出現(xiàn)在更深的區(qū)域,其峰值也更大.然而隨著質(zhì)子能量增大,Tdam在深度方向的分布并不是如圖5 中彈性碰撞比例隨著Al 元素含量增大呈現(xiàn)單調(diào)關(guān)系,雖然含Al 元素多的材料峰值位置依然更深,但結(jié)果顯示其峰值越來越小于含Ga 元素多的材料.如圖6(c),(d)所示,50 MeV 的質(zhì)子在不同AlxGa1-xN 體材料中產(chǎn)生的峰值近似相等,而當(dāng)質(zhì)子能量在200 MeV 時,GaN 中布拉格峰峰值更高.除此之外,當(dāng)質(zhì)子能量較高時,如 200 MeV,含Al 元素的AlxGa1-xN 材料并沒有出現(xiàn)像純 GaN那樣平滑區(qū)要高于峰值的現(xiàn)象,這種與 GaN 材料不一致的情況表明,Al 原子的加入會顯著影響損傷區(qū)域的分布,且與 Al 元素含量呈非單調(diào)線性關(guān)系.

為了進(jìn)一步分析不同含量 Al 元素造成的損傷分布差異,將Tdam按照彈性碰撞與非彈性碰撞事件的貢獻(xiàn)分開,并與 PKA 數(shù)目隨深度的分布進(jìn)行對比.圖7以GaN 材料為例,展示了4 種不同能量質(zhì)子在整個材料內(nèi)部沉積的Tdam隨深度分布,結(jié)果發(fā)現(xiàn)彈性碰撞與非彈性碰撞事件產(chǎn)生的Tdam與PKA 數(shù)量呈現(xiàn)高度一致性,同時可以看出,彈性與非彈性碰撞事件產(chǎn)生的Tdam在材料內(nèi)部有著完全不同的機(jī)理,對于10 MeV 以下質(zhì)子,以圖7(a),(b)為例,由于此時質(zhì)子主要與材料發(fā)生彈性碰撞,非彈性碰撞事件產(chǎn)生的 PKA 數(shù)目幾乎為 0,因此,Tdam在質(zhì)子射程的末端達(dá)到最大值.隨著能量的增大,如圖7(c)所示,非彈性相互作用導(dǎo)致該部分PKA 的數(shù)量增加,從而增大了其對應(yīng)的Tdam值,盡管彈性碰撞產(chǎn)生的 PKA 數(shù)目在所有深度范圍上都遠(yuǎn)多于非彈性碰撞產(chǎn)生的 PKA 數(shù)目,但非彈性碰撞導(dǎo)致Tdam在射程前端的值要遠(yuǎn)大于后端,這也表明非彈性碰撞產(chǎn)生 PKA 導(dǎo)致的Tdam更大.在更高的能量下,例如 200 MeV,如圖7(d) 所示,這種區(qū)別就更加明顯.在質(zhì)子射程的前端,大多數(shù) PKA 是由非彈性碰撞產(chǎn)生的,Tdam也是由非彈性碰撞貢獻(xiàn)的.而在射程的末端,彈性碰撞產(chǎn)生的 PKA 變得比非彈性碰撞產(chǎn)生的更多,該距離內(nèi)Tdam主要由彈性碰撞提供.

圖7 (a) 150 keV,(b) 10 MeV,(c) 50 MeV,(d) 200 MeV 質(zhì)子在 GaN 材料中沉積的 Tdam (紅色) 以及產(chǎn)生的PKA 數(shù)目 (藍(lán)色)隨深度分布,其中實(shí)線為彈性碰撞事件,虛線為非彈性碰撞事件Fig.7.Distribution of deposited Tdam (Red) and produced PKAs (Blue) with depth in AlxGa1-xN mate rials irradiated by protons of(a) 150 keV,(b)10 MeV,(c) 50 MeV,(d) 200 MeV.The solid lines and the dashed lines correspond to elastic and inelastic collision events.

基于以上分析,可以得知彈性與非彈性碰撞產(chǎn)生的Tdam在材料內(nèi)部具有完全不同的機(jī)理,對于彈性碰撞,其產(chǎn)生的Tdam隨著深度的增大而增大,在質(zhì)子范圍的末端表現(xiàn)出明顯的布拉格峰,而對于非彈性碰撞,其產(chǎn)生的Tdam主要在徑跡前端處.正是這種不同的作用機(jī)制導(dǎo)致了圖3中NIEL 在不同質(zhì)子能量處隨Al 元素含量變化的不同趨勢.在質(zhì)子能量較低時,彈性碰撞主導(dǎo)了整個位移損傷過程,由于Al 原子的原子質(zhì)量數(shù)低于Ga 原子,因此其有更高的概率與質(zhì)子發(fā)生彈性作用,導(dǎo)致Al 含量較高的材料中 NIEL 更高.然而對于高能質(zhì)子,NIEL 是由非彈性碰撞作用導(dǎo)致.因此,材料中較高的Al 含量導(dǎo)致經(jīng)歷非彈性碰撞相互作用的質(zhì)子比例較低,從而產(chǎn)生較低的NIEL 值.

4 結(jié)論

本文通過兩體碰撞近似方法,研究了10 keV—300 MeV 的質(zhì)子在不同 Al 元素含量的AlxGa1-xN材料中產(chǎn)生的位移損傷效應(yīng),主要針對導(dǎo)致位移損傷效應(yīng)的NIEL 大小開展了模擬研究,并通過分析PKA 能譜以及Tdam隨深度的分布揭示Al 元素含量對NIEL 的影響機(jī)理.研究結(jié)果表明,當(dāng)質(zhì)子能量低于40 MeV 時,NIEL 隨著Al 含量增大而增大,而質(zhì)子能量高于40 MeV 時,呈現(xiàn)相反的變化趨勢,NIEL 隨著Al 含量增大而減小.分析導(dǎo)致NIEL 變化的PKA,雖然不同AlxGa1-xN 材料的PKA 能譜相似,即當(dāng)質(zhì)子能量低于10 MeV 時,質(zhì)子主要與材料發(fā)生彈性碰撞,當(dāng)質(zhì)子能量升高時,非彈性碰撞逐漸成為主要碰撞機(jī)制,然而由于Al 元素質(zhì)量數(shù)小,導(dǎo)致AlN 材料中彈性碰撞比例遠(yuǎn)高于GaN 材料.同時,研究Tdam隨深度的分布,發(fā)現(xiàn)其與PKA 數(shù)量的分布顯示出高度的相似性,并且由彈性碰撞相互作用引起的Tdam隨著深度的增大而增大,在射程的末端形成最大值,而由非彈性碰撞相互作用產(chǎn)生的Tdam在射程前端呈現(xiàn)均勻分布,在射程的末端逐漸減少.因此對于低能質(zhì)子,由于NIEL 主要是由彈性碰撞導(dǎo)致,Al 占比越大則 NIEL 越大,而對于高能質(zhì)子,其產(chǎn)生的 NIEL主要是由非彈性碰撞導(dǎo)致,Al 占比越大則 NIEL越小.本研究揭示了AlxGa1-xN 材料中質(zhì)子位移損傷效應(yīng)的機(jī)理,并且為該器件及材料的位移損傷效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究和多尺度模擬提供重要依據(jù).