基于GaAs的红外LED中中子辐照损伤的研究

《Applied Radiation and Isotopes》：Research on neutron irradiation damage in GaAs-based IR LEDs

GaAs中子辐照损伤机制研究基于Geant4蒙特卡洛模拟，分析1-20 MeV中子诱导的一次激发原子（PKA）分布规律，发现PKA沿入射方向均匀分布并向外扩散呈高斯分布，散射角随能量升高趋近大角度，NIEL在10 MeV达到峰值，揭示核反应生成PKA主导高能损伤。

　　

叶二雷|赖永芳|沈春霞|李梦昭|侯一杰

中国北京NBC国防研究院，邮编102205

摘要

由于具有出色的电子迁移率、高光电转换效率和直接的带隙结构，砷化镓（GaAs）已成为半导体器件中不可或缺的材料。然而，在中子辐射环境中——例如太空探索、粒子物理实验和核技术应用中——GaAs的性能可能会受到显著影响。为了深入研究GaAs在中子辐照下的损伤机制，本文采用Geant4蒙特卡罗工具包来模拟和计算1至20 MeV能量范围内GaAs材料中的中子传输过程。此外，还对产生的初级撞击原子（PKA）的空间分布和能谱进行了详细分析。同时计算了中子在GaAs中的非电离能量损失（NIEL）。研究结果表明，沿中子入射方向，PKA通常均匀分布；当它们向外扩散时，大致呈现高斯分布，并且大部分PKA集中在低能量端。随着入射中子能量的增加，PKA的类型和能谱变得更加多样化，由核反应产生的PKA也逐渐增多。PKA的散射角度主要集中在20°、50°和80°附近；随着中子能量的升高，散射角度逐渐向更大值收敛。NIEL计算结果显示，在较低能量下，弹性散射是GaAs中辐照效应的主要来源；随着入射中子能量的继续增加，由核反应产生的PKA将导致更显著的NIEL。在厘米尺度上，增加目标材料的厚度并不会显著改变NIEL值，这表明单能中子造成的损伤具有较好的穿透性。此外，本研究还揭示了不同类型PKA（如H、He、Ga和As）及其在不同能量水平下的能谱的具体贡献。值得注意的是，NIEL在10 MeV左右达到最大值，表明这一能量的中子对GaAs造成的结构损伤最为严重。这些结果为位移损伤机制提供了微观物理洞察，为基于GaAs的器件在中子环境中的抗辐射设计和先进缺陷建模提供了重要指导。

引言

砷化镓（GaAs）作为一种典型的II-V族化合物半导体，具有高电子迁移率、直接的带隙和优异的光电性能，使其在太阳能电池、光电探测器和太空电子学等领域中至关重要（Balaghi等人，2021；Kalyuzhnyy等人，2020；Li等人，2020；Wang等人，2013；Schulte等人，2023；Allphin等人，2023）。与硅相比，其更强的抗辐射能力进一步支持其在航空航天和核系统等恶劣环境中的应用（Borrego等人，1978）。然而，暴露于电离辐射会导致原子碰撞，从而引发位移损伤，降低载流子浓度、迁移率和器件可靠性（Barthel等人，2022；Phakkhawan等人，2022；Gao等人，2017）。

大量研究已经描述了GaAs在电子、质子和重离子辐照下的损伤情况。电子辐照会引入浅层缺陷（E2–E4能级）和弗伦克尔对（Frenkel pairs），从而降低发光效率（Mazouz等人，2015；Tunhuma等人，2016；Wang等人，2017）。由于质量较大，质子会引发更深的缺陷并显著缩短载流子寿命（Pursley等人，2015；Tan等人，2017；Fan等人，2022）。重离子每次撞击造成的损伤更大，会增加电阻率和缺陷聚集（Deshmukh等人，2015；Singh等人，2015；Bobby等人，2015；Kapitonov等人，2015）。

中子是中性的且具有很高的穿透性，主要通过弹性和非弹性核反应引起位移损伤。（NIEL被广泛用作位移损伤的代理指标，已经建立了多种基于标准核数据库的GaAs损伤模型。例如，Akkerman等人（2001）根据ENDF/B-VI数据更新了Si和GaAs的NIEL计算；Asper和Jones（2025）为1 MeV等效中子注量开发了ARC-DPA模型；Griffin等人（2022）通过评估最新的核数据和损伤模型，推荐了一套更新的、基于能量的GaAs中子损伤响应函数，旨在取代传统评估方法。这些工作证实了标准模拟框架的适用性，但主要关注综合损伤指标。）

尽管取得了这些进展，但对于NIEL的微观起源——特别是PKA的能量、角度和物种特性——仍缺乏详细了解。这些信息对于将蒙特卡罗模拟与分子动力学或缺陷演化模型相结合以预测长期退化至关重要。Sato等人（Iwamoto等人，2022）的最新工作指出了基于NRT的模型与实验损伤结果之间的差异，表明需要更精确的PKA诱导缺陷产生描述。

在这项研究中，我们使用Geant4蒙特卡罗模拟来研究1–20 MeV能量范围内中子引起的GaAs位移损伤，该能量范围约占低地球轨道（LEO）总中子注量的65%。本研究重点关注这一主要成分引起的位移损伤。在利用现有物理模型的同时，我们的研究不仅限于NIEL量化，还包括对PKA能谱、角度分布、空间轮廓和元素贡献的系统性分析。通过将这些微观结构特征与10 MeV附近观察到的NIEL峰值相关联，我们为潜在的损伤机制提供了物理洞察，有助于提高基于GaAs的器件的抗辐射性能。

部分摘录

损伤机制

在标准大气条件下，低于20 MeV的低能中子占中子能谱的绝大部分（Yu，2024）。其中，能量高于1 MeV的快中子在电子器件的辐照损伤中起着重要作用。因此，本文主要研究1至20 MeV范围内中子引起的辐照损伤。中子与物质相互作用时发生的反应类型主要包括弹性散射和非弹性散射

PKA的模拟结果与分析

关于中子入射后目标材料中产生的PKA的类型、能量、数量和空间分布的信息对于阐明辐照损伤机制至关重要。在本文中，中子源被建模为位于GaAs靶材上游1毫米处的点源，所有中子均垂直于表面发射（0°入射）。中子进入之前，中间空间被定义为真空，确保没有衰减或散射

结论

本研究使用Geant4蒙特卡罗工具包，系统研究了在1至20 MeV能量范围内中子辐照下厘米尺度GaAs材料的位移损伤。通过分析PKA的空间、能量和角度分布，我们发现位移损伤主要沿着入射中子方向分布，呈现出近似高斯分布的横向剖面。随着中子能量的增加，

CRediT作者贡献声明

叶二雷：数据整理。赖永芳：数据整理、形式分析、软件编写——初稿。沈春霞：方法论、写作——审稿与编辑。李梦昭：方法论、写作——审稿与编辑。侯一杰：方法论。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。没有任何作者从与本文主题直接或间接相关的商业实体获得财务支持或其他利益。此外，本研究是在没有任何可能被视为潜在利益冲突的商业或财务关系的情况下进行的。