伽马射线辐照对光电导半导体开关瞬态特性的影响机制

《IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering》：Mechanism of Gamma-Ray Irradiation Effects on the Transient Characteristics of Photoconductive Semiconductor Switches

γ射线辐照导致钒补偿4H-SiC光电半导体开关（PCSS）瞬态特性三阶段演变：初始劣化[0-200krad]、场辅助恢复[200-300krad]和严重退化[>500krad]，深能级陷阱（Z1/Z2）主导复合机制，SDDA结构较DDSA耐辐照（800krad时导通电阻增6% vs 25.5%），衬底补偿效应提升器件可靠性。

　　

摘要：

本研究探讨了伽马射线辐照对钒补偿半绝缘（VCSI）4H-SiC光电导半导体开关（PCSS）瞬态特性的影响。在受控辐照实验（0–800 krad(Si)和5-kV偏压条件下）中，发现导通电阻（R_on）、负载功率以及半高宽（FWHM）会随辐照剂量增加而降低，这一过程分为三个阶段：初始恶化阶段（0–200 krad(Si)）、通过场辅助缺陷修复实现瞬态恢复阶段（200–300 krad(Si)），以及严重退化阶段（>500 krad(Si)）。光致发光（PL）光谱分析表明，能量分别为Z1/2 = -0.67 eV和E_H = -1.55 eV的深能级缺陷是主要的复合中心。模拟结果表明，在532纳米激光激发下，深能级缺陷通过Shockley–Read–Hall复合机制缩短载流子寿命，从而恶化了开关的瞬态导通特性。值得注意的是，浅施主-深受体（SDDA）结构的PCSS具有更好的辐射耐受性，在800 krad(Si)辐照下其导通电阻仅增加了6%，而深施主-浅受体（DDSA）结构的PCSS导通电阻增加了25.5%，这种差异归因于衬底的补偿类型。这些发现揭示了4H-SiC PCSS中的辐射损伤机制，并为航空航天应用中需要抗辐射的脉冲功率系统提供了设计指导。