关键词：
中子辐照
重离子辐照
石墨烯场效应晶体管
辐照效应
摘要：
随着商业航天与深空探测技术的迅猛发展,空间电子系统对高性能抗辐射器件的需求持续攀升,推动新型材料体系器件研发成为极端环境电子学的关键研究方向。石墨烯因其本征高载流子迁移率、优异机械强度、高热导率等特性展现出巨大的潜力。然而,空间辐射环境中的高能粒子（中子、重离子）及电离辐射（γ/X射线）等辐射因素可诱发石墨烯晶格位移损伤与电离效应,在材料中引发晶格缺陷、陷阱电荷和载流子浓度变化等,从而显著劣化石墨烯的电学、热学等性能。进一步地,在石墨烯场效应晶体管（GFET）中,辐射诱导的界面陷阱电荷和栅介质层电荷陷阱等会影响器件阈值电压和开关特性等,严重制约器件可靠性。因此,深入研究GFET（Graphene Field-Effect Transistors）等石墨烯器件的辐射损伤机理及其与器件性能的关联规律,具有重要的价值。目前国内外关于石墨烯器件辐射效应的研究主要集中于γ射线、质子、低能重离子等辐射因素,但对中能重离子和中子引发的辐照效应研究仍然较为欠缺。因此,本文以GFET为研究对象,开展了中等能量重离子和中子对单层、双层石墨烯及石墨烯/氮化硼（BN）异质结GFET器件的辐射效应研究,主要内容如下:
（1）首先开展了GFET的制备与性能表征研究。在总结分析已有石墨烯的制备技术优缺点以及表征方法之后,利用化学气相沉积方法实现了单层、双层石墨烯及异质结的制备,结合光刻、电子束蒸镀、氧等离子体刻蚀等技术制备出了背栅型GFET器件。通过光学显微成像、SEM、XPS、拉曼光谱以及器件电学性能测试等对GFET器件进行了表征,验证了所制备器件的功能和性能,为辐照实验提供了器件基础。
（2）利用输出强度高的锎源中子对单层、双层、异质结GFET器件进行了辐照实验,结合SEM、拉曼光谱、电学特性等表征手段分析了中子引发的辐射效应规律并分析了其机理。研究发现,锎源中子辐照未显著改变石墨烯的晶格完整性,但由于其能量沉积产生的热效应可以解吸附石墨烯表面的H2O、O2等分子,使p型掺杂浓度降低,导致转移特性曲线中性点偏移量减小。同时,中子在衬底Si O2层中和石墨烯衬底接触界面产生电离损伤和位移损伤,引入界面陷阱电荷,导致栅极电容下降,引起平带电压的移动。由于氧化层厚度远大于石墨烯的厚度,表明锎源中子辐照对GFET的影响主要源于衬底的位移损伤和电离损伤。
（3）采用加速器产生的0.5 MeV的O+和1.5 MeV的Fe+对单层、双层、异质结GFET器件开展了的辐照试验,利用SEM、拉曼光谱、XPS等材料表征方式,结合蒙特卡罗仿真软件,分析了不同能量、不同种类重离子辐照下器件的性能变化及原因。发现对于0.5 MeV的O+离子辐照,低注量下单层GFET出现迁移率和电导率提升,而双层GFET和石墨烯/BN异质结GFET并未出现,原因在于低注量下碰撞概率低,晶格损伤并不显著,且辐照能量沉积诱导的瞬态局域热效应可引发热退火,退火过程,消除表面吸附杂质并修复固有缺陷,有效降低载流子散射中心密度,使石墨烯电导率及载流子迁移率提高。其中,双层石墨烯因其层间耦合作用使其重离子辐照耐受性相对更强,因此其缺陷密度低,同时具有更高的热导率和机械强度,在辐照之后的局部热退火效应并不明显。石墨烯/BN异质结尽管由于底层BN提高了衬底平整度、改善了顶层石墨烯的质量,但在辐照引发的B和N原子的溅射加剧了石墨烯的损伤,因此其在低注量下沟道的无序区域面积更大,在辐照之后热退火效应并不显著,在高注量下,其电学性能变化比单层GFET和双层GFET更快。不同能量的重离子引发的热尖峰效应和更强的穿透能力有所差异,在石墨烯中引入的损伤更低,因此器件迁移率和电导率的变化有所不同。
本文的研究发现了中子和重离子辐照下器件性能变化与石墨烯沟道材料、接触界面和栅氧层变化的联系,弥补了当前GFET重离子、中子辐照效应研究的不足,为GFET在空间辐射环境中的可靠性评估与抗辐射设计提供了理论支撑。
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