质子辐射对GaAs和InP纳米线结构空间位移损伤特性研究
卫星激光通信技术相比传统通信技术具有通信容量大、保密性好、设备体积小和功耗低等诸多优点，是实现高码率通信的最佳方案。激光器、探测器和光伏电池等光电器件作为搭载卫星光通信系统的卫星平台的核心器件之一，工作在空间辐射环境中，受粒子辐射而产生的位移损伤效应会降低器件性能，进而影响整个激光通信系统的可靠性和稳定性。 纳米线结构是制备纳米线光电器件的基本功能单元。GaAs和InP纳米线结构是一种新型的Ⅲ-Ⅴ族半导体纳米结构，在光电器件领域有着诸多潜在应用，例如纳米线光伏电池、纳米线探测器（PIN、PN、MS M等结构光电探测器）和纳米线激光器等。此外，GaAs和InP材料在可见、近红外光谱区具有很高的响应率，并具有较强的抗辐射能力。 目前，人们针对纳米结构抗辐射特性的研究仅停留在理论上，但尚未建立纳米材料辐射损伤理论模型来进行量化研究。此外，为了解决纳米线器件在空间工程应用的使用寿命问题，必须研究纳米线结构的抗辐射特性，而目前对光电器件中GaAs和InP纳米线结构的抗辐射特性研究在国内外尚未见报道。本文以光电器件在空间应用的需求为背景，开展了GaAs和InP纳米线结构的空间位移损伤特性研究，旨在为半导体纳米线在空间应用提供技术和理论支持。具体内容如下： 针对纳米线受辐射产生的位移损伤量化问题，通过研究纳米线荧光特性受辐射产生的位移损伤的影响，建立了纳米线材料的荧光特性位移损伤模型。通过该模型，基于载流子速率方程，推导给出了在小注入条件下纳米线的荧光强度、载流子辐射复合寿命与非辐射复合寿命分别随辐射积分通量变化的关系表达式，并通过质子辐照实验对模型进行验证。 研究了尺寸效应下辐射位移缺陷密度重新分布的问题。在小注入条件下，推导出了半导体纳米线少子寿命损伤系数随直径变化的关系表达式，建立了基于纳米尺寸效应与纳米线载流子动力学的GaAs纳米线少子寿命位移损伤模型。对纳米线抗辐射特性的物理机制进行了探讨，仿真计算和质子辐照实验验证了模型的正确性。 针对辐射导致纳米线光电探测器的光电性能下降问题，建立了GaAs纳米线阵列结构的光电特性位移损伤模型。基于该模型，推导给出了光导型GaAs纳米线阵列结构的暗电流和光电响应的位移损伤表达式，通过质子辐照实验得到了GaAs纳米线阵列结构的暗电导和器件性能随辐射积分通量的变化规律，并得到了影响光导型器件光电特性位移损伤的关键物理量。 分析了位移损伤对纳米线激光器稳态输出特性的影响。基于纳米线激光器的载流子动力学方程，给出了纳米线激光器泵浦功率阈值与输出功率随辐射积分通量变化的解析式，建立了纳米线激光器的稳态输出位移损伤模型。分析了基于纳米尺寸效应的InP纳米线激光器的泵浦功率阈值位移损伤与稳态输出功率位移损伤，给出了纳米线激光器稳态输出功率损伤随纳米线尺寸的变化规律。 通过质子辐照实验研究了光伏电池InP纳米线阵列结构的抗辐射特性，分析了在典型卫星轨道中InP纳米线阵列结构的光伏性能参数随辐射积分通量的变化规律。并对纳米线阵列结构与块体结构的抗辐射特性进行了探讨。 本文的研究工作是关于Ⅲ-Ⅴ族半导体纳米线结构在空间辐射环境受位移损伤影响的基础研究，解决了纳米线结构在空间应用领域急需解决的基础科学问题——半导体纳米线的尺寸效应及其抗辐射特性。研究结果将为空间辐射环境中纳米线光电器件的性能定量分析提供理论依据，为光电器件的防护和加固设计提供技术与实验支持。
半导体光电材料;砷化镓;磷化铟;纳米线结构;质子辐射;位移损伤
哈尔滨工业大学
博士
物理电子学
谭立英
2019
中文
TN304.23;TN304.01
2020-12-03（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）