辐射诱导InP半导体缺陷多尺度模拟.pdfVIP

哈尔滨工业大学理学硕士论文

摘要

InP

磷化铟（）作为一种具有直接带隙半导体材料，由于具有电光转换效率

高、电子迁移率和电子极限漂移速度高、导热好等优点，被广泛应用于太阳能

电池、电子和光伏器件中。同时它具有较强的抗辐射能力，这些特征决定了其在

固体发光、微波通信、光纤通信、制导导航、卫星等民用和军事领域的应用十分/

广阔。有望在地外在轨系统中实现大规模的应用。

在轨航天器用电子元器件在地外空间服役时，会面临复杂多变的辐射环

境，涉及质子、电子及少数重离子等，并在材料中引入缺陷。这些缺陷状态与

入射粒子能量、类型、辐照注量等属性有关外，还与材料属性密切相关。粒子

辐照诱导产生的缺陷在半导体禁带中会构建局域缺陷态，从而俘获自由载流子，

即陷阱效应，是造成器件性能退化的根本原因。本文利用蒙特卡洛、分子动力

学、第一性原理等计算方法研究辐照诱导的InP缺陷产生、演化过程和缺陷结

构及性质。

利用蒙特卡洛方法模拟InP材料粒子辐照的过程，使用不同种类不同能量

的辐照粒子照射InP，统计其在InP中的穿透深度，线性传输能量（LET），以

及产生的PKA（初级撞出原子）种类和PKA的能谱分布。选择PKA的典型能

量作为初始参数进行分子动力学模拟，探究其在InP中的级联碰撞过程，得到

InP中缺陷种类和数量随时间的变化。

对InP的本征缺陷性质进行第一性原理计算，包括空位和反位缺陷，以及

双空位、双反位的复合缺陷，得到其缺陷形成能和跃迁能级，并和实验上的InP

DLTS（深能级瞬态电容谱）探测到的缺陷信号进行对比，实现InP中辐射诱

导缺陷结构准确定义。氢作为常用的钝化剂和不可避免的杂质原子，对含氢的

InP缺陷进行计算，分析加氢对InP空位缺陷的影响。

构建InPHBTs（异质结双极性晶体管）结构模型，模拟其Gummel曲线

以及传输特性缺陷，在InP发射结和InGaAs基极中引入载流子陷阱，分析不同

浓度、不同种类的缺陷对HBTs电学性能的影响。

通过计算机模拟的方法，从微观尺度到宏观尺度对InP材料在辐照条件下

缺陷形成和演化过程进行研究和分析。它可以帮助我们更好地理解InP材料的

辐照损伤机理，为材料的设计和优化提供科学依据。

关键词：磷化铟；辐照；第一性原理计算；缺陷；HBTs

--I

哈尔滨工业大学理学硕士论文

Abstract

Indiumphosphide(InP),asadirectbandgapsemiconductormaterial,hasbeen

widelyusedinsolarcells,electronicsandphotovoltaicdevicesduetoitshigh

electro-opticconversionefficiency,highelectronmobilityandelectroniclimitdrift

velocity,goodthermalconductivityandotheradvantages.Atthesametime,ithas

strongradiationresistance,whichdeterminesitswideapplicationinciviland

militaryfieldssuchassolid-stateluminescence,microwavecommunication,fiber

opticcommunication,guidance/navigation,satellites,etc.Itisexpectedtoachieve

large-scaleapplicationsinextraterrestrialinorbitsystems.

Whenelectroniccomponentsandpartsforspacecraftinorbitareusedin

e