【氮化镓】GaN在不同电子能量损失的SHI辐射下的损伤
该文的主要发现和结论如下：
-
GaN的再结晶特性 ：GaN在离子撞击区域具有较高的再结晶倾向，这导致其形成永久损伤的阈值较高。在所有研究的电子能量损失 regime 下，GaN都表现出这种倾向，但在电子能量损失增加时，其效率会降低，尤其是在材料发生解离并形成N₂气泡时。
-
能量损失阈值 ：文章提出了形成不连续和连续离子迹的电子能量损失阈值，并讨论了超过一定阈值后N₂气泡形成的可能。基于模拟和实验结果，建议在低于25nm的区域假设15keV nm⁻¹为形成永久损伤的阈值，在浅层区域，模拟预测溅射显著且再结晶效率降低，表面处的阈值低于15keV nm⁻¹。
-
表面对损伤的影响 ：在GaN表面附近，由于空洞和坑的形成，再结晶受到阻碍。TTM-MD模型解释了实验中观察到的轨迹形态，包括深层区域的不连续性和浅层区域的空洞形成，以及能量损失阈值的差异。
-
模型验证 ：TTM-MD模拟结果与实验结果高度一致，验证了模型在研究整个电子能量损失谱的适用性。模型还支持电子能量损失与相互作用截面（熔化和非晶化）之间的经验关系，可以简化未来实验的规划。
-
N₂气泡的形成 ：在高电子能量损失的情况下，GaN部分材料在高温高压下解离为Ga和N₂分子，形成N₂气泡，且在室温下这些气泡保持稳定。这种现象在低至中能离子辐射下并不常见，但在高能辐射下却可能出现，对器件的电学性能可能产生显著影响。
-
再结晶效率与电子能量损失的关系 ：通过研究再结晶效率与电子能量损失之间的关系，发现再结晶效率与电子能量损失呈线性关系，这一发现为从实验获得的rc估计r以及将再结晶效应引入模型分析提供了依据，有助于更好地理解损伤随通量的演变。
-
TTM-MD模型的优势 ：TTM-MD模型能够准确预测GaN在不同能量损失下的损伤行为，包括rc和rt，与实验结果高度吻合。而纯TTM模型由于忽略了压力对熔化温度的影响以及再结晶效应，对rt的预测值明显偏大，平均比实际值高出71%。
综上所述，该研究通过TTM-MD模拟和TEM实验，深入探究了GaN在不同电子能量损失的重离子辐射下的损伤行为，揭示了其再结晶特性、能量损失阈值、表面对损伤的影响以及N₂气泡的形成机制，并验证了TTM-MD模型的准确性和适用性，为理解和预测GaN在强电离辐射环境下的性能提供了重要的理论支持和实验依据。
摘要：
2022 年，德国赫尔姆霍兹 - 德累斯顿罗森多夫研究中心的 Miguel C. Sequeira 等人基于 Two - Temperature Model - Molecular Dynamics（TTM - MD）模拟方法，结合透射电子显微镜（TEM）实验，研究了氮化镓（GaN）在不同电子能量损失的重离子（Swift Heavy Ions，SHI）辐射下的损伤行为。仿真结果表明：
-
GaN 在离子撞击区域易发生再结晶，具有较高的永久损伤形成阈值，且其再结晶能力随电子能量损失增加而减弱，尤其在材料解离并形成氮气泡时。
-
在表面附近，由于空洞和坑洞的产生，再结晶受到阻碍。
-
模拟结果与实验结果高度一致，证实了模型在研究整个电子能量损失谱上的适用性，并揭示了离子与物质相互作用过程中的动态行为，如非晶区域、点缺陷和扩展缺陷等的形成机制，同时为解释电子能量损失阈值的差异提供了依据。
该研究结果对理解 GaN 在强电离辐射环境下的性能、推动其在高频通信、空间探索以及高能实验设施等极端辐射环境中的广泛应用具有重要意义，也为未来相关实验的规划提供了理论支持和指导。
1. Introduction（引言）
在科技领域，氮化镓（GaN）作为一种具有诱人特性的材料，其重要性日益凸显。文章开篇即强调了 GaN 在诸多应用场景中的优势，与硅（Si）晶体管相比，GaN 基高电子迁移率晶体管（HEMT）展现出更高的效率、可承受更高电压、具备更快的开关转换速度，并且拥有更佳的热稳定性和辐射抗性。与碳化硅（SiC）相较，GaN 基 HEMT 又具有更高的电子迁移率。这些优异性能使 GaN 在高频应用领域，如 5G 通信系统中，成为理想的候选材料。
此外，GaN 基半导体器件在极端辐射环境，如太空或高能实验设施中，也具有重大的应用价值。例如，欧洲航天局的新一代实验卫星使用 GaN 基 HEMT 与地球进行通信，还有将 GaN 基探测器应用于欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）的可能性，这将显著减少维护和停机时间。
然而，尽管 GaN 在辐射环境下具有诸多优势，但其对强电离辐射的响应机制尚未被完全理解。尤其是在高能离子辐射环境下，离子主要通过电离过程失去能量，这种情况下 GaN 的损伤机制仍存在争议。由于 III 族氮化物复杂的相变图和缺陷产生 - 消灭动态特性，准确预测电离所诱导的效应变得困难重重。
鉴于此，文章的研究重点在于通过原子级模拟（Two - Temperature Model、Molecular Dynamics 模拟）和透射电子显微镜&#x