快重离子辐照对GaN基超晶格中二维电子气的影响研究

GaN-based supperlattice is the basic structure of group III nitrides optoelectric devices. Its electron transport properties showed specific mechanics because of the two-dimentional electron gas (2DEG).GaN-based group III nitrides have the advantages of wide band gap, high saturation velocity of the charge carriers, high thermal conductivity and high radiation hardness. They have extensively application potential for use in the high temperature and radiation environment(such as nuclear power and space technology). However, the swift heavy ions in the radiation environments can introduce the latent tracks in the supperlattice because of large electronic energy loss, and can cause the atomic mixing of the interface of the supperlattice. The irradiation can create changes in the density and the mobility of the two-dementional electron gas in the supper lattices. This project, based on the understanding of the differece of the electron transport mechanics in supperlattices and in epitaxial films, using swift heavy ions provided by HIRFL, plans to investigate the response of the electron transport in the supperlattice due to high electroninc enenrgy loss of the swift heavy ion irradiation, to focus on the impact of the formation of the latent tracks and atomic mixing at the interface to the 2DEG bounded by the supperlattice, and to establish the dependence of the electron transport behavior to the defect microstructure,and to identify the threshold value of the irradiation parameters for significant change of electron transport properties.

GaN基超晶格是Ⅲ族氮化物光电子器件的基本结构，其电子输运由于二维电子气(2DEG)的存在显示独特的机制。GaN基Ⅲ族氮化物半导体具有宽禁带、高载流子饱和迁移率、高热导率和耐辐照的优点，在高温和辐射环境（如核能、空间）具有广泛应用潜力。但是，核能和空间环境的快重离子由于具有大的电子能损，会在超晶格中引入潜径迹缺陷，并可在超晶格界面引发原子混合，这都会造成超晶格的二维电子气密度及迁移率发生变化。本项目针对超晶格中电子输运机制与普通外延层中电子输运机制不同的特点，基于HIRFL提供的快重离子条件，研究快重离子入射引起的强电离激发效应对超晶格中电子输运行为的影响，重点探讨重离子潜径迹的形成和界面间的原子混合对超晶格束缚的二维电子气的影响，建立电子输运行为对缺陷微观结构的依赖关系，寻找电子输运性质发生显著变化的辐照参数阈值，为GaN基光电子器件在辐照环境下的应用提供基础研究的依据。

快重离子可以快速的在材料内部定量的引入缺陷，故用快重离子辐照的方法在GaN基材料及器件内部引入结构缺陷，对于GaN基光电子材料在辐射环境下的应用具有重要意义。本项目主要通过研究结构缺陷对GaN材料以及器件的电学性能影响，分析快重离子辐照对AlGaN/GaN、InGaN/GaN异质结、Au/n-GaN肖特基结、GaN基PIN结的作用。实验的总体思路是，对要研究的半导体材料基片进行加工，制成标准样品，然后再对其进行快重离子辐照，对辐照前后的样品进行电学性质分析和结构分析，得出结论。研究表明，辐照会造成迁移率的下降，辐照后电离杂质散射占主导地位，同时还会造成载流子浓度的增加，这是由于辐照可以产生N空位引起的。辐照会引起电阻率增加，当离子辐照损伤超过1.4×10^(-5) DPA时，电阻急剧增加，电学性质的测量变得困难。辐照会在材料内部造成应力，应力的大小随辐照剂量增加而增加，损伤到达一定阈值（1.4×10^(-5) DPA）时，材料内部的各向异性开始增加，此过程伴随着电阻的急剧增大。辐照还会造成Au和n-GaN界面处表面态的迁移和中和，并造成GaN材料内部介电常数的减小。为研究低剂量辐照效应，项目组还发明了散射靶，并成功应用于LED器件的辐照试验。散射靶上进行的LED的辐照实验结果表明，辐照总体上会造成LED器件发光性能的恶化，但在离子辐照剂量达到大约10^7 个铁离子每平方厘米时，会造成LED器件发光性能提高大约6%。