AlGaN/GaN HEMT质子辐射效应研究进展

氮化镓（GaN）基异质结材料以其宽禁带、耐高温、高击穿电压以及优异的抗辐射性能成为航天领域半导体材料的研究和应用热点。而基于GaN材料的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）因其制备过程带来的缺陷和损伤,性能将受到空间辐射的严峻挑战。文章对空间辐射环境下AlGaN/GaN HEMT的辐射机理和效应进行梳理;针对低中地球轨道以质子为主的辐射环境,对不同能量和注量的质子辐照对AlGaN/GaN HEMT的效应进行系统分析。鉴于从压电极化角度分析AlGaN/GaN HEMT的质子辐射效应存在欠缺,且不同能量和注量的质子辐照对器件的影响不同,提出后续应开展AlGaN/GaN HEMT辐射损伤机制、不同轨道辐射环境模拟以及质子辐照对AlGaN/GaN HEMT宏观特性影响研究。     

质子和离子辐照对镁稀土合金 力学性能的影响

文章研究了质子和离子（氮离子）辐照对镁稀土（Mg-Zn-Y-Zr）合金拉伸性能、表面硬度及拉伸变形断裂行为的影响。经能量为170 keV,注量分别为5×1015 /cm2、1×1016 /cm2、2×1016 /cm2、1×1017 /cm2的质子或离子辐照后,合金的拉伸性能和拉伸断口形貌没有发生显著变化,表明质子和离子辐照对Mg-Zn-Y-Zr合金宏观力学性能的影响有限,这与辐照粒子（质子或离子）对合金的穿透深度浅有关。纳米显微硬度测试和扫描分析结果显示,经氮离子辐照后,Mg-Zn-Y-Zr合金被辐照面表层发生了一定程度的硬化,纳米显微硬度随着辐照注量的增加而逐渐增加,而质子辐照的硬化效果不明显。     

AlN/GaN HEMT毫米波器件结构仿真研究

为实现更高工作频率的氮化镓（gallium nitride,GaN）基高电子迁移率晶体管（high electron mobility transistor,HEMT）器件，采用薄势垒外延结构、缩小栅长对提升器件的截止频率十分重要。通过对不同氮化铝（aluminium nitride,AIN）势垒层厚度以及不同尺寸栅长的AlN/GaN HEMT进行仿真分析，系统研究不同结构对器件短沟道效应、直流及频率等特性的影响。首先固定栅长为100nm，研究了跨导与截止频率随AlN势垒层厚度的变化情况。跨导随势垒层厚度的增加先增大后减小。当势垒层厚度为4nm时，跨导达到最大值(592mS/mm)，截止频率也达到最大值。为尽可能提升器件的截止频率，同时避免器件出现短沟道效应，固定AlN势垒层厚度为4nm，研究器件截止频率与短沟道效应随器件栅长的变化情况。仿真表明器件截止频率随栅长的减小而增大，50nm栅长的器件截止频率最高，但栅长为50nm时器件短沟道效应严重，此时器件纵横比(Lg/Tbar)为12.5。因此需要提升器件的纵横比，当器件栅长达到100nm时(Lg/Tbar=25)，器件短沟道效应得到抑制，且具有较高的截止频率。仿真结果表明，AlN HEMT具有较高的截止频率，同时应采用较大的纵横比设计(纵横比为25左右)以抑制短沟道效应，为后续高频AlN/GaN HEMTs器件的制备提供了理论依据。     

电子与质子综合辐照下ZnO白漆的光学性能 退化研究

为研究电子与质子综合辐照中电子与质子间的协合效应,在模拟的空间环境下对S781白漆分别进行了10 keV电子辐照、70 keV质子辐照、和10 keV电子与70 keV质子综合辐照试验。研究了辐照后S781白漆光谱反射系数和太阳吸收比的变化,计算了综合辐照效应的相加性系数。结果表明,10 keV电子与70 keV质子在S781白漆中的平均投影射程相近,辐照损伤机理相似,综合辐照存在协合效应,协合效应减弱光学性能退化。     

质子和电子对光学反射镜辐射效应的研究

研究了能量为E=160keV质子和电子单独及综合辐照作用对两种空间反射镜光学表面的影响。观察到在辐照剂量达到Φ=10×105/cm2后反射镜表面形咸了明显的结构缺陷,并导致某些谱段反射率的降低和成像质量的下降。辐照诱发缺陷的类型及分布特征除与粒子种类和反射镜结构有关外,还依赖于试样的接地方式。质子幅照主要引起反射镜表面膜层的起泡现象;电子辐照则使SiO2保护膜着色;综合辐照的影响复杂,尤其是在接近于空间使用条件的第二种接地方式下,起泡现象和静电效应成为镜面损伤的主要机制。     

原子氧对航天材料的影响与防护

采用质子加速器对Fe-Ni软磁合金进行8 MeV质子辐照,研究其磁性能及组织结构与缺陷变化情况。研究结果表明,随质子辐照吸收剂量的增加,Fe-Ni合金的矫顽力增大,磁导率下降,饱和磁感应强度未受影响。X射线衍射（XRD）结果表明辐照未引起相结构的变化,但使晶格发生了畸变。正电子湮没分析表明,辐照导致了空位等材料缺陷。     

空间级环氧树脂浇注体的电子辐照效应研究

通过地面模拟空间环境电子辐照条件(电子能量Ee=150keV;束流密度A=2.0(1012cm-2·s-1;辐照剂量范围Φ=0～5.0×1016cm-2;真空度10-6Pa,环境温度120K),研究了不同辐照剂量下环氧树脂浇注体648和TDE-85的质量损失、弯曲强度和表面的变化.试验结果表明,随着辐照剂量的增加,质量损失呈现先加速递增后趋于平缓的态势;弯曲强度呈现先上升后下降的趋势;树脂表面产生了放电现象;表面粗糙度也发生了不同程度的变化.     

铝膜反射镜60 keV质子辐照效应

文章研究了在真空和热沉环境下,铝膜反射镜经质子辐照后的光学反射率变化。试验结果表明:60 keV质子辐照后,铝膜反射镜反射率发生了明显的变化。随辐照注量的增加,反射率呈单调减少趋势。当辐照注量达到1×1016 cm-2时,反射率略有下降,且这种变化首先发生在紫外区。随着辐照剂量进一步增加,反射率明显下降,特别是在波长为250~800 nm范围内。经表面形貌分析和机理分析,铝膜反射镜反射率的降低可归结为经质子辐照后铝镜面表面产生了波纹和小丘形貌。     

MMIC功率放大器中末级合成电路设计研究

采用100nm AlGaN/GaN HEMT工艺,以尺寸为90μm×8的GaN HEMT作为末级晶体管,研究可工作于Ku波段的功放MMIC末级四路合成电路。选择ADS Momentum作为仿真工具,设计两种末级合成电路,并提出一种改进幅度一致性的设计方法。对两种合成电路的各项指标进行比较,在14GHz~16GHz频段,簇丛式合成电路最大插损1.1d B,输出反射系数优于–18d B;Bus-bar总线合成电路最大插损0.9d B,输出反射系数优于–20d B。     

星载C频段100W脉冲固态功率放大器设计

为了满足卫星系统对星载固放产品的小型化、高集成的要求，文章应用国产氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN high electron mobility transistors, GaN HEMT），设计实现了一款星载C频段100W脉冲固态功率放大器（Solid state power amplifier, SSPA）。针对系统对固放性能的要求，采用阶梯阻抗变换匹配的方法，应用ADS电路设计软件，对功率放大模块中输入/输出匹配电路进行了精确仿真及性能验证，以保证功率放大电路在稳定工作的前提下，其输出功率和效率均能满足指标要求，最后给出了固放整机的实际测试数据。该固放在40MHz工作频带、脉宽1.8ms、占空比18.7%的条件下，输出功率大于108W，发射链路增益大于57dB，整机直流功耗小于60W，实现了C频段星载大功率脉冲发射机的固态化。经环境试验考核和系统联试验证，在工作温度范围内，固放的输出功率大于100W，变化小于0.3dB，表明该固放可完全满足卫星雷达系统的使用要求和可靠性要求。     

S781白漆在空间辐照环境下物性变化分析

文章研究S781白漆分别在紫外、质子和紫外+质子+电子综合辐照环境下太阳吸收率(αs)的退化情况,并利用X射线光电子能谱（XPS）和扫描电子显微镜（SEM）对样品表面的成分和形貌进行了分析。结果表明:S781白漆的αs受紫外辐照影响较小,但是在质子和综合辐照条件下退化明显。紫外辐照会对S781的硅树脂粘合剂产生裂解作用,质子辐照下样品表面会有污染形成,电子辐照会对深层的硅树脂性质产生影响。     

3,5-(硝氨基)-1,2,4-三唑肼盐的热行为研究（英文）

利用TG-DTG、DSC技术详细研究了3,5-（硝氨基）-1,2,4-三唑肼盐（HDNAT）的热分解过程、分解反应动力学及其与HMX、RDX、NC、NG、吸收药（NC+NG）、DINA、DNTF和铝粉等含能材料的相互作用和相容性。研究结果表明,在160²30℃温度范围内,HDNAT的分解过程存在一主一次两个放热分解过程,在DSC曲线上表现为一个明显的放热峰和一个3肩缝;HDNAT的热分解符合"成核增长"历程,分解反应机理函数为dα/dt=10^19.8（1-α）[-ln（1-α）]^3/5 e^-22.2/T.,其分解反应活化能Ea=184.8kJ·mol^-1,指前因子A=1019.4s^-1;HDNAT与DINA和NDTF之间存在明显的相互作用,与之不相容;与RDX之间有微弱的相互作用,相容性较差;与HMX、NC、NG、（NC+NG）和Al之间不存在相互作用,相容性良好。     

红蓝光敏探测器空间环境效应探测数据分析

红蓝光敏太阳电池空间环境效应探测器利用镓铟磷和三结砷化镓太阳电池来探测空间污染、原子氧和辐射环境及效应,搭载在中国空间技术研究院自主研制的“新技术验证一号”卫星上。文章通过分析红蓝光敏探测器在轨1年时间的探测数据,得到如下结论：红蓝光敏探测器污染电池板功率下降2.7%,等效污染累积增加量2.23×10^-5 g/cm^2,日均6×10^-8 g/cm^2;原子氧探测器在轨道高度499.226 km运行11个月,原子氧积分通量探测数据为9.7×10^20 AO/cm^2;辐射效应探测器（三结砷化镓太阳电池）在轨1年后累计接受辐射剂量（等效1 MeV电子注量）5.49×10^11 e/cm^2。     

S781白漆低能质子辐照损伤的模拟研究

文章为研究低能质子与S781白漆的微观交互作用,利用SRIM-2003软件模拟了10～150 keV质子辐照S781白漆过程,计算了S781白漆及其ZnO颜料、粘结剂组分的核阻止本领、电子阻止本领、电离损失、位移损失以及质子的射程。结果表明,S781白漆的电子阻止本领远大于核阻止本领,辐照损伤以电离效应为主,电离损失主要发生在ZnO颜料上。     

空间激光通信系统光电器件辐射效应研究

针对空间激光通信系统所用高速半导体激光器、光电探测器、掺铒光纤放大器(EDFA)、石英光纤等关键器件,开展电子、质子和γ射线辐照试验。半导体激光器经~(60)Co-γ射线和电子加速器辐照后斜率效率发生轻微下降,下降程度与总剂量大小有关;而光功率在电子辐照后出现严重下降,表明电子辐照比γ射线产生更多的损伤,可以归因于电子造成的位移损伤。PIN光电探测器在质子辐照后,暗电流和电容都明显增大,主要是由于质子造成的位移损伤引入深能级缺陷增加势垒,导致光电探测器性能退化。EDFA系统的掺铒光纤经~(60)Co-γ射线辐照后,对系统的增益和噪声影响很大。石英光纤主要受总剂量效应影响,辐射损耗随光纤通入的光波波长增大而减小,而且光纤损耗的剂量率效应不明显,实际试验可以根据试验条件选择适当的剂量率。研究结果可为空间激光通信系统的元器件选型、辐射效应评估与抗辐射加固设计提供参考数据。     

行星际空间质子引起介质深层充电的GEANT4模拟研究

高通量的空间质子是导致行星际航天器深层充电的主要原因,基于辐射诱导电导率模 型（RIC）和粒子输运模拟工具GEANT4对介质材料在质子辐照条件下的深层充电问题进行了 预估。利用GEANT4-RIC充电计算方法,首先计算出10MeV质子在Kapton和Teflon中的注量和 剂量沉积曲线,进而根据电流连续性方程、泊松方程和电荷俘获方程组成的辐射诱导电导率 模型（RIC）求解出介质内电荷和电场分布,与介质击穿电场阈值对比作为其是否发生放电 的依据。模拟结果证实了对10MeV质子,在质子注量为3×10 12 ／cm 2时Kapton会发 生放电,而Teflon则不会发生放电的一般性试验结论。验证了GEANT4-RIC方法用于行星际航 天器介质材料质子充放电评价的可行性,为此类问题的解决奠定了基础。
     

防静电Kapton二次表面镜的电子辐照效应

文章研究防静电Kapton二次表面镜（ITO/Kapton/Al）在不同能量电子辐照后,太阳吸收比退化情况,并利用X射线光电子能谱仪（XPS）和扫描电子显微镜（SEM）对样品表面的成分和形貌进行了分析。结果表明,相同电子注量下,电子能量越高,对样品的太阳吸收率退化作用越大;电子辐照对样品表面形貌影响不大,但是会降低表面氧化铟锡的含量;不同能量的电子对样品表面成分的损伤效应是一致的。     

质子辐照对防静电热控涂层导电性能影响

文章研究了质子辐照环境对两种防静电热控涂层（ITO/F46/Ag、ITO/OSR/Ag）导电性能的影响,质子总注量选取1×1015 p/cm2,并在不同质子注量下对试样表面电阻率进行了原位测量。试验发现,质子辐照下两种防静电热控涂层的表面电阻率均呈指数衰减趋势,且回至大气中出现明显的“恢复效应”。对涂层导电性能退化的微观机制进行了分析,并建立了相应导电性能演化规律的简化数学模型,可为新型涂层的研制提供理论依据。     

空间高速InGaAs-PIN光电二极管辐射损伤效应试验研究

利用质子、中子和伽马射线辐照空间激光通信系统拟选用的高速InGaAs-PIN光电二极管,对其辐射损伤效应开展研究,以评估PIN光电器件在空间辐射环境中的适用性。基于辐照前后器件的暗电流、光电流、光谱响应、电容等参数随辐照剂量变化的测试数据,对各参数受辐照影响的程度和不同辐照模拟源对光电器件造成的辐射损伤差异进行了比较分析。结果表明:PIN光电二极管的暗电流是受辐照影响最严重的参数,而光电流、光谱响应、电容等参数受辐照影响较小;暗电流增加主要与质子和中子辐照引入的非辐射复合中心有关,并与位移损伤剂量基本成线性关系。     

MEO轨道辐射环境对Si太阳电池影响研究

研究MEO轨道Si太阳电池在轨性能衰减规律,为太阳阵设计提供参考依据。利用位移损伤剂 量的方法,研究了电子辐照对Si太阳电池性能参数的影响,并分析了MEO轨道（高度20,000 km, 倾角56°）的电子和质子辐射环境,及其穿过不同厚度的石英玻璃盖片后的 衰减谱。研究发现,在没有玻璃盖片的情况下,MEO轨道一年期质子通量会造成电池最大输 出功率严重衰退,约为初始值的28％,而一年期电子通量影响很小,仅造成约7％的下降。 使用100μm的石英玻璃盖片几乎可以完全阻挡MEO轨道质子辐射的影响,但是对电子辐 射的阻挡作用很小。石英玻璃盖片对于屏蔽低能质子对电池辐照损伤是极其重要的。