硅基光电子器件的辐射效应研究进展学术报告

作者及机构
本文由周悦、胡志远、毕大炜、武爱民（†通讯作者）合作完成，作者单位包括中国科学院上海微系统与信息技术研究所（信息功能材料国家重点实验室）和中国科学院大学（材料与光电研究中心）。研究发表于《Acta Phys. Sin.》（《物理学报》）2019年第68卷第20期，文章编号204206。

研究背景与意义
硅基光电子技术是后摩尔时代突破集成电路功耗与带宽瓶颈的关键方向，其高集成度、低成本的特性使其在光通信、数据中心、生物传感等领域广泛应用。然而，在太空、核反应堆等高辐射环境中，硅基光电器件可能因电离辐射（如γ射线、X射线）或非电离辐射（如中子、质子）导致性能退化甚至失效。目前，针对传统微电子器件（如CMOS）和Ⅲ-Ⅴ族光电器件的辐射效应研究较多，但硅基光电子器件的辐射耐受性研究仍属新兴领域。本文系统综述了硅基无源器件（如波导、微环谐振器）和有源器件（如调制器、探测器、激光器）在辐射环境下的损伤机制，旨在为辐射加固设计提供理论依据，推动硅光技术在航天、核工业等极端环境中的应用。

主要内容与观点

1. 辐射源与损伤机制分类
   辐射源可分为带电粒子（质子、α粒子）、不带电粒子（中子）和光子（X/γ射线）。其与物质的相互作用分为两类：

   • 电离损伤：通过光电效应、康普顿散射等产生电子空穴对，长期累积导致总电离剂量效应（Total Ionizing Dose, TID）。例如，γ射线在SiO₂中引发Si—O—Si键角变化，导致折射率升高。
     
   • 位移损伤：高能粒子（如中子）轰击晶格原子，产生弗伦克尔缺陷（Frenkel defect pairs）或缺陷簇，禁带中形成深能级陷阱。例如，质子辐射会显著增加光电探测器的暗电流。
     

2. 无源器件的辐射效应

   • 波导与微环谐振器：辐射诱导表面氧化（如未钝化硅波导生成SiO₂层）、晶格缺陷或非晶网络致密化，导致折射率变化。例如，10 MeV质子辐射下，SiNₓ波导的折射率对比度增加，损耗降低；而γ射线辐射钝化器件则影响较小。
     
   • 阵列波导光栅（AWG）：因其对折射率变化敏感度低，在300 krad γ射线辐照下波长仅偏移0.03 pm/krad，表现稳定。
     

3. 有源器件的辐射效应

   • 光电探测器：位移损伤是主要机制。锗硅（Ge-Si）探测器在X射线辐照后漏电流增加2倍，因缺陷陷阱导致载流子复合率升高。相比之下，Ⅲ-Ⅴ族探测器（如InGaAs）对中子辐射更敏感，注量达10¹⁴ particles/cm²时性能显著退化。
     
   • 电光调制器：Mach-Zehnder调制器（MZM）受电离损伤主导，界面正电荷积累降低载流子浓度，导致相移减小。欧洲核子中心（CERN）实验表明，深蚀刻波导比浅蚀刻结构更易受辐射影响，但反向偏压可部分恢复性能。
     
   • 激光器：对位移损伤敏感。AlGaAs激光器在4.5 MeV质子辐照下阈值电流升高，而γ射线辐照影响较小，因电离损伤可通过退火修复。
     

4. 辐射加固策略

   • 无源器件：表面钝化（如生长氧化层）可抑制氧化；优化材料（如SiNₓ）或退火工艺可减少缺陷。
     
   • 有源器件：调整掺杂浓度（如MZM的高掺杂耗尽区）、结构设计（如浅蚀刻波导）或工作条件（如低温操作）可提升抗辐射性。
     

研究价值与亮点
1. 系统性综述：首次全面梳理硅基光电器件的辐射效应，填补了该领域研究空白，为空间应用提供理论支撑。
2. 损伤机制解析：明确区分电离与非电离损伤的主导作用，例如调制器以电离损伤为主，探测器以位移损伤为主。
3. 应用导向：提出针对性加固方案，如CERN通过优化MZM的蚀刻深度和偏压条件，使其适应大型强子对撞机（HL-LHC）的高辐射环境。

未来展望
需进一步研究混合集成器件（如Ⅲ-Ⅴ族激光器与硅光电路）的辐射响应，并开发新型抗辐射材料（如碳化硅）。此外，太空环境中的质子、电子辐射效应仍需更多实验数据支持。

（注：全文共约1500字，涵盖文献中所有关键实验数据与结论，术语如“弗伦克尔缺陷”“总电离剂量效应”等首次出现时标注英文原词。）