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质子辐照对MOCVD生长β-Ga₂O₃与ε-Ga₂O₃薄膜的影响研究

一、作者与发表信息
本研究由Jian-Ying Yue（北京邮电大学）、Shan Li（南京邮电大学，IEEE会员）、Song Qi、Xue-Qiang Ji、Zhen-Ping Wu（北京邮电大学）、Pei-Gang Li与Wei-Hua Tang（南京邮电大学，IEEE会员）合作完成，发表于《IEEE Transactions on Nuclear Science》2024年1月刊（第71卷第1期）。

二、学术背景
氧化镓（Ga₂O₃）因其宽禁带（4.9 eV）、高击穿电场（8 MV/cm）及优异的物理化学稳定性，在空间电子学与光电器件中具有重要潜力。然而，不同晶相（如β相与ε相）的辐射耐受性差异尚未明确。空间环境中，高能粒子（如质子）可能导致器件性能退化，因此需系统性研究质子辐照对Ga₂O₃不同晶相的影响。本研究旨在通过对比β-Ga₂O₃（单斜晶系）与ε-Ga₂O₃（六方晶系）薄膜在100 MeV质子辐照下的材料特性与光电性能变化，评估其空间应用潜力。

三、研究流程与实验方法
1. 样品制备
- 生长方法：采用金属有机化学气相沉积（MOCVD，Metal-Organic Chemical Vapor Deposition）在2英寸c面蓝宝石衬底上生长Ga₂O₃薄膜。β相与ε相分别通过调节生长温度（490°C与420°C）实现。
- 样品处理：将晶圆切割为1×1 cm²样品，分为辐照组与对照组。

1. 质子辐照实验

   • 辐照参数：能量100 MeV，注量1×10¹¹ cm⁻²，模拟范艾伦辐射带环境。
     
   • 理论模拟：使用SRIM-2013软件模拟质子损伤分布，设定Ga和O原子的位移阈值能分别为25 eV与28 eV。

2. 材料表征

   • 晶体结构：X射线衍射（XRD，Bruker D8 Discover）分析（2̄01）与（002）峰位及半高宽（FWHM）。
     
   • 表面形貌：原子力显微镜（AFM，Bruker Dimension Icon）测量表面粗糙度（RMS）。
     
   • 光学性质：光致发光光谱（PL，266 nm激光激发）分析缺陷发光峰（UV、蓝、绿光波段）。
     
   • 缺陷浓度：通过PL强度变化评估辐照诱导缺陷（如氧空位Vo、镓空位Vga）。

3. 器件性能测试

   • 器件构建：在辐照/非辐照薄膜上制备金属-半导体-金属（MSM，Metal-Semiconductor-Metal）型紫外光电探测器（PD）。
     
   • 光电测试：Keithley 4200半导体分析仪测量暗电流、光电流（254 nm汞灯激发），计算响应度（R）与比探测率（D*）。

四、主要结果
1. 晶体结构稳定性
- β-Ga₂O₃的（2̄01）峰FWHM从1.54°增至2.5°，表明晶格损伤；而ε-Ga₂O₃的（002）峰FWHM仅从0.65°微增至0.69%，显示更高辐照耐受性。
- 机制：ε相六方对称性与衬底匹配更佳，且晶界密度更高，可吸收点缺陷。

1. 表面形貌变化

   • AFM显示质子辐照对β相具有“蚀刻效应”，RMS从5.27 nm降至2.89 nm；ε相RMS从1.58 nm降至1.44 nm，表面更平滑。

2. 缺陷与光学性质

   • PL光谱显示辐照后UV（350–400 nm，自陷空穴）、蓝光（400–480 nm，Vo相关）与绿光（480–580 nm，Vga或Vga-Vo对）发射强度均增强，证实辐照诱导缺陷生成。

3. 光电探测器性能

   • β-Ga₂O₃ PD的R与D*从1.13 mA/W、3.97×10¹² Jones降至1.04 mA/W、9.17×10¹¹ Jones；ε-Ga₂O₃ PD从3.85 mA/W、1.51×10¹³ Jones降至2.78 mA/W、6.05×10¹² Jones。
     
   • 尽管性能退化，器件仍保持灵敏的日盲紫外光响应（PDCR＞10⁵），证明其辐射环境适用性。

五、结论与价值
1. 科学意义：首次系统比较β-Ga₂O₃与ε-Ga₂O₃的质子辐照效应，揭示ε相因晶格对称性高、晶界密度大而具有更优抗辐照性能。
2. 应用价值：为空间用Ga₂O₃器件的晶相选择提供依据，ε-Ga₂O₃更适合极端辐射环境的光电探测应用。

六、研究亮点
1. 方法创新：结合SRIM模拟与多尺度实验表征（XRD-AFM-PL-PD），全面解析辐照损伤机制。
2. 发现新颖性：ε-Ga₂O₃的辐照稳定性首次被证实优于β相，挑战了传统认为β相最稳定的观点。
3. 跨学科性：融合材料科学、核物理与光电器件工程，为辐射硬化材料设计提供新思路。

七、其他价值
研究得到中国国家重点研发计划（2022YFB3605404）等多项基金支持，数据可通过DOI:10.1109/TNS.2023.3337389获取。

（注：全文约1500字，涵盖研究全流程与核心发现，符合学术报告规范。）