周悅 胡志遠(yuǎn) 畢大煒 武愛(ài)民?

1) (中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所,信息功能材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200050)

2) (中國(guó)科學(xué)院大學(xué),材料與光電研究中心,北京 100049)

硅基光電子器件與芯片技術(shù)是通信領(lǐng)域的下一代關(guān)鍵技術(shù),在光通信、高性能計(jì)算、數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域有廣闊的市場(chǎng),在生物傳感領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用.根據(jù)硅光器件高集成度、重量小等特性,可以預(yù)見(jiàn)硅基光電子芯片在空間通信、核電站、高能粒子實(shí)驗(yàn)等輻射環(huán)境中也極具應(yīng)用前景.本文綜述了硅基光電子器件在高能粒子環(huán)境下的輻射效應(yīng)研究工作,闡述了電離和非電離輻射效應(yīng); 針對(duì)無(wú)源器件和有源器件分別介紹了輻射效應(yīng)和響應(yīng)機(jī)理,包括波導(dǎo)、環(huán)形諧振器、調(diào)制器、探測(cè)器、激光器、光纖等.高能輻射對(duì)無(wú)源器件的影響主要包括結(jié)構(gòu)加速氧化、晶格缺陷、非晶結(jié)構(gòu)致密化等.對(duì)于光電探測(cè)器和激光器,輻射引起的位移損傷占主導(dǎo)地位,其中點(diǎn)缺陷引入的深能級(jí)會(huì)影響載流子響應(yīng)導(dǎo)致器件性能變化,而電光調(diào)制器在輻射環(huán)境下的主要損傷機(jī)制是電離損傷,產(chǎn)生的缺陷電荷會(huì)影響載流子濃度從而改變有效折射率.本文最后展望了硅基光電集成器件的輻射加固思路和在空間環(huán)境中的應(yīng)用前景.

1 引 言

硅基光電子技術(shù)是將微電子領(lǐng)域低成本、批量化、高集成度的大規(guī)模集成電路制造技術(shù)與光電子芯片的大帶寬、高速率和高抗干擾能力等優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái)的一種新興技術(shù)[1].基于硅基光電子集成的片上光互連被認(rèn)為是后摩爾時(shí)代突破集成電路技術(shù)發(fā)展所面臨的功耗、帶寬和延時(shí)等瓶頸的理想方案之一.硅基光電集成技術(shù)在光通信和數(shù)據(jù)中心互連等數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的運(yùn)用,而自動(dòng)駕駛、生物傳感和微波光子等領(lǐng)域也受到了硅基光電子技術(shù)發(fā)展的推動(dòng),開(kāi)始向集成芯片的方案邁進(jìn).根據(jù)硅光器件的高集成度、重量小等特性,可以預(yù)見(jiàn)這項(xiàng)技術(shù)一個(gè)非常重要的應(yīng)用場(chǎng)景將是空間和輻射等復(fù)雜環(huán)境中的光互連,如衛(wèi)星、航天器和空間站等.與普通環(huán)境中應(yīng)用的硅基光電器件和集成芯片相比,工作在這些環(huán)境中的器件必須能夠長(zhǎng)期承受各種輻射粒子,因?yàn)槠骷坏┦軗p或失效,便難以進(jìn)行維修和更換.因此,硅基光電子器件和集成芯片在發(fā)射入軌之前,必須對(duì)器件在輻射環(huán)境下的性能進(jìn)行評(píng)估,研究其穩(wěn)定性及可靠性以確保器件性能在整個(gè)使用周期內(nèi)正常工作.除了太空環(huán)境,硅基光電器件在高能物理實(shí)驗(yàn)、近核反應(yīng)堆和高能粒子碰撞器等環(huán)境中也會(huì)受到輻射的作用.所以,研究硅基光電子器件在惡劣的輻射環(huán)境中性能受損的物理機(jī)理對(duì)進(jìn)一步擴(kuò)大硅基光電芯片的應(yīng)用范圍(如航空航天、核工業(yè)等)具有重要的科學(xué)意義和使用價(jià)值.在過(guò)去幾十年,輻射對(duì)集成電路芯片[2-4]、Ⅲ-Ⅴ族光電子器件[5-7]和光纖器件[8-16]的影響研究較多,但是關(guān)于硅基光電器件的輻射效應(yīng)研究較少.

2 輻射源與物質(zhì)的相互作用

一般來(lái)說(shuō),輻射源主要有X射線、γ射線、中子、質(zhì)子和α粒子等.應(yīng)用領(lǐng)域不同,器件遇到的輻射源類型和輻射強(qiáng)度也不同.按照輻射源的性質(zhì)通?？煞譃閹щ娏Ｗ印⒉粠щ娏Ｗ雍凸庾尤?

帶電粒子主要包括質(zhì)子、α粒子以及重離子.α粒子是帶2個(gè)單位正電荷、質(zhì)量數(shù)為4的氦離子;質(zhì)子是帶1個(gè)單位正電荷、質(zhì)量數(shù)為1的氫離子.硅基光電器件輻射效應(yīng)研究中常用的α粒子、質(zhì)子與物質(zhì)相互作用的形式主要是與靶原子核外電子發(fā)生非彈性碰撞逐漸損失能量,使靶材料電離和激發(fā).

不帶電粒子主要是指中子.中子與質(zhì)子的質(zhì)量相等,但中子與電子之間沒(méi)有靜電作用,不能直接使物質(zhì)電離.所以當(dāng)中子與物質(zhì)發(fā)生相互作用時(shí),是與原子核內(nèi)的核力相互作用.相互作用的方式為彈性散射、非彈性散射和吸收.

光子主要是指X射線和γ射線.它們具有很強(qiáng)的穿透力,在與物質(zhì)原子的碰撞中會(huì)損失大部分或全部能量.光子與物質(zhì)相互作用的形式主要是光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對(duì)效應(yīng).圖1表示光子能量和物質(zhì)原子序數(shù)與三種效應(yīng)的關(guān)系.當(dāng)光子能量較低且原子序數(shù)較高時(shí),主要發(fā)生光電效應(yīng); 當(dāng)光子能量較高且原子序數(shù)高時(shí),主要發(fā)生電子對(duì)效應(yīng); 當(dāng)能量處于中間狀態(tài)且原子序數(shù)較低時(shí),主要發(fā)生康普頓散射效應(yīng).這三種效應(yīng)都會(huì)使物質(zhì)的原子電離或激發(fā)產(chǎn)生次級(jí)電子.

圖1 光子能量和原子序數(shù)與三種效應(yīng)的關(guān)系Fig.1.Relationships between photon energy,atomic number and three effects.

材料在輻射環(huán)境中產(chǎn)生的損傷形式分為電離損傷和位移損傷.電離損傷是指輻射引起靶材料原子電離或激發(fā),從而產(chǎn)生電子空穴對(duì).入射的射線散射在靶材料中的原子上,由于光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)、電子對(duì)效應(yīng)或輻射粒子的碰撞使靶原子的電子激發(fā)或碰撞出來(lái)成為自由電子,失去電子的原子成為帶正電荷的離子,產(chǎn)生了電子空穴對(duì); 當(dāng)自由電子能量足夠高時(shí),會(huì)穿過(guò)材料并進(jìn)一步散射而損失能量產(chǎn)生新的電子空穴對(duì).電離損傷取決于粒子的類型和粒子能量[5].在器件內(nèi)部沉積的能量長(zhǎng)時(shí)間累積最終導(dǎo)致器件的各種性能變化的效應(yīng)稱為總電離劑量效應(yīng)[17].

位移損傷是指靶原子獲得入射粒子的全部或者部分能量之后離開(kāi)原本的晶格位置并留下空位,離開(kāi)晶格位置的原子如果移動(dòng)到一個(gè)非晶格位置,則被稱為間隙原子,與空的晶格位置一起被稱為弗倫克爾缺陷對(duì).移位的原子還可能撞擊其他原子,產(chǎn)生缺陷簇.位移損傷是由非電離輻射產(chǎn)生的累積效應(yīng)引起,非電離輻射源主要包括質(zhì)子、離子、能量高于150 keV的電子、中子或二次粒子等.

3 硅基光電器件的輻射效應(yīng)

硅基光電器件按照工作原理和功能可以分為無(wú)源器件和有源器件,圖2所示為一個(gè)典型的采用單路光源的光互連體系的工作過(guò)程：光源產(chǎn)生光信號(hào),進(jìn)入電光調(diào)制器后將電信號(hào)加載到光波上,光信號(hào)在硅基光波導(dǎo)內(nèi)傳輸,通過(guò)耦合器(低損耗耦合器件包括倒錐形耦合波導(dǎo)和光柵耦合器)對(duì)外輸出,根據(jù)片內(nèi)互連和片外互連應(yīng)用場(chǎng)景的不同通過(guò)波導(dǎo)或光纖輸出.在接收端,光信號(hào)進(jìn)入光電探測(cè)器完成光電轉(zhuǎn)換后進(jìn)行信號(hào)處理.為增加物理通道的信息傳輸容量,會(huì)采用波分復(fù)用、偏振復(fù)用、空分復(fù)用等各種復(fù)用方式,因此會(huì)在芯片上集成相關(guān)的復(fù)用/解復(fù)用無(wú)源器件,考慮硅基光電器件的偏振特性和模式特征,無(wú)源器件還包括偏振相關(guān)器件,如偏振旋轉(zhuǎn)器件和偏振分束器等.實(shí)現(xiàn)光電/電光轉(zhuǎn)換核心功能的高速調(diào)制器和探測(cè)器在工作機(jī)理上依賴于光和電的相互作用,因此在研究中也將這類有源器件與單純實(shí)現(xiàn)傳輸、復(fù)用、偏振和耦合等功能的無(wú)源器件區(qū)分,兩類器件在輻射環(huán)境中也有不同的作用機(jī)理.

圖2 硅光系統(tǒng)的信息傳輸過(guò)程Fig.2.Information transmission process of silicon optical system.

器件長(zhǎng)期處在輻射環(huán)境下,材料的折射率會(huì)發(fā)生變化,材料發(fā)生致密化以及表面化學(xué)鍵變化等,這些變化會(huì)導(dǎo)致光波導(dǎo)器件的傳輸損耗增加,從而導(dǎo)致諧振器件的品質(zhì)因數(shù)變化以及諧振波長(zhǎng)漂移,器件性能下降甚至失效.輻射誘導(dǎo)的變化取決于材料組成、總劑量、劑量率、輻射期間的溫度和濕度以及輻照后樣品的退火程度等[10].

3.1 無(wú)源器件的輻射效應(yīng)

硅基光波導(dǎo)是硅基光電子學(xué)芯片中最基本的無(wú)源器件,通過(guò)芯區(qū)和包層的折射率對(duì)比度將光的傳輸限制在芯區(qū)傳導(dǎo),波導(dǎo)層的折射率高于包層的折射率,基本原理是全內(nèi)反射.在硅基光電子學(xué)中,通常用Si作為波導(dǎo)芯層材料,SiO2作為波導(dǎo)包層材料來(lái)實(shí)現(xiàn)折射率的高對(duì)比度.

針對(duì)光波導(dǎo)的輻射效應(yīng)的早期研究主要集中在LiNbO3波導(dǎo)、聚合物波導(dǎo)、氮氧化硅(SiON)波導(dǎo)、非晶硅波導(dǎo)以及氮化硅(SiNx)波導(dǎo)的輻射效應(yīng).2007年,Lai等[18]研究了以Ti擴(kuò)散、Ni擴(kuò)散、Zi/Ni擴(kuò)散、質(zhì)子交換和退火質(zhì)子交換五種方法制作的LiNbO3波導(dǎo)在總劑量為10 Mrad(Si)(單位質(zhì)量物質(zhì)吸收電離輻射的平均能量,本文的總劑量全部校準(zhǔn)至拉德硅)的60Co_γ射線輻射下的變化,實(shí)驗(yàn)表明,在γ射線照射后,隨著總劑量的增加,LiNbO3波導(dǎo)的傳輸損耗變大,其中退火質(zhì)子交換法制作的LiNbO3波導(dǎo)的傳輸損耗較低,保持在1.2 dB/cm的水平.因?yàn)橥嘶鹳|(zhì)子交換法制作的波導(dǎo)在退火后受損的結(jié)構(gòu)會(huì)部分恢復(fù),抗輻照能力較其他四種好.隨后,他們又研究了聚合物波導(dǎo)的折射率在60Co_γ射線輻射下的變化,隨著輻射劑量增加,折射率線性增加,當(dāng)輻射劑量超過(guò)7.5 Mrad,折射率隨著輻射劑量的繼續(xù)增加反而降低[19].

微環(huán)諧振器(micro ring resonator,MRR)作為光學(xué)集成應(yīng)用中重要的器件,其工作原理是當(dāng)諧振器的光學(xué)長(zhǎng)度是波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)發(fā)生諧振,由于其對(duì)折射率變化很敏感,折射率的微小變化會(huì)由于光在結(jié)構(gòu)中循環(huán)而放大光譜結(jié)果.MRR目前主要應(yīng)用在光頻梳[20]、光學(xué)濾波器[21]以及高速電光調(diào)制器[22]上.MRR通常是由一個(gè)波導(dǎo)環(huán)和一根直波導(dǎo)組成,如圖3所示.對(duì)其輻射實(shí)質(zhì)上是對(duì)波導(dǎo)進(jìn)行輻射.

圖3 微環(huán)諧振器的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3.Schematic diagram of micro ring resonator.

2005 年,IMEC的Dumon等[23]用60Co_γ射線輻照硅微環(huán)諧振器.在300 krad的總劑量下,標(biāo)準(zhǔn)的SOI波導(dǎo)制作的硅微環(huán)諧振器在被輻照后共振波長(zhǎng)變化接近0.4 pm/krad.2015年,Bhandaru等[24]將硅微環(huán)諧振器暴露于總劑量11.5 Mrad的10 keV X射線和253 krad的662 keV137Cs_γ射線下,研究未鈍化的硅材料在輻射環(huán)境下折射率的變化情況.高能輻射使得未鈍化的硅材料表面加速被氧化生成二氧化硅,由于二氧化硅的折射率小于硅的折射率,輻射之后諧振器波導(dǎo)的有效折射率減小,共振波長(zhǎng)發(fā)生藍(lán)移,對(duì)于已經(jīng)有天然氧化層的鈍化的硅微環(huán)諧振器,透射光譜沒(méi)有變化.2017年,麻省理工學(xué)院的Du等[25]研究了非晶硅(a-Si)和SiNx波導(dǎo)在60Co_γ射線輻照下的性能變化,總劑量為10 Mrad,如圖4所示,當(dāng)輻照發(fā)生在空氣中時(shí),器件的折射率增加緩慢甚至減少,而在氬氣中器件的折射率隨著輻照劑量增加而增加.對(duì)于更高的總劑量,如100 krad,60Co_γ射線對(duì)鈍化的硅微環(huán)諧振器的折射率也沒(méi)有影響[26].2014年,Brasch等[27]發(fā)現(xiàn)在100 MeV的高能質(zhì)子輻射下,SiNx波導(dǎo)型微環(huán)諧振器的光學(xué)損耗沒(méi)有顯著變化,材料的折射率也基本沒(méi)有變化.Grillanda等[28]也研究了60Co_γ射線對(duì)非晶硅(a-Si)光波導(dǎo)的影響,總劑量15 Mrad,波導(dǎo)芯區(qū)是a-Si,包層分別涂覆SiO2和含氟聚合物,測(cè)試表明SiO2和a-Si材料的折射率沒(méi)有變化,然而在高度交聯(lián)的聚合物中隨著輻射劑量增加,交聯(lián)聚合物中由于化學(xué)鍵斷裂和自由基的形成導(dǎo)致分子量降低,增加了斷裂建的數(shù)量,從而增加聚合物的極化率,導(dǎo)致折射率增加,隨著輻射劑量繼續(xù)增大,聚合物的結(jié)構(gòu)退化導(dǎo)致折射率下降.他們還通過(guò)Mach-Zehnder干涉儀和微環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)研究α粒子輻射對(duì)SiON無(wú)源器件的影響[29].α粒子輻射導(dǎo)致芯層SiON波導(dǎo)的折射率增加高于包層SiO2折射率的增加,導(dǎo)致折射率對(duì)比度增加,損耗減少,品質(zhì)因數(shù)Q值提高.SiON的折射率介于SiO2和Si之間,可以用來(lái)制作高折射率纖芯材料[30].

圖4 有效折射率與γ射線的累積劑量的關(guān)系 (a) a-Si諧振器; (b) SiNx諧振器[25]Fig.4.Dependences of effective index changes on cumulative gamma radiation dose in (a) a-Si reso nators and (b) SiNx devices,inferred from optical resonator measurements[25].

對(duì)于表面無(wú)SiO2的器件,即未鈍化的器件,在高能光子束如γ射線或者X射線下產(chǎn)生鈍化的原因主要是因?yàn)榭諝庵械难醴肿訁⑴c了氧化反應(yīng),大于5.1 eV能量的光子都可以將氧分子分解成活性氧原子和臭氧[25,31].輻射產(chǎn)生的自由電子和氧原子反應(yīng)產(chǎn)生O-和O2-離子,從而使表面氧化.當(dāng)氧化物達(dá)到一定厚度之后,氧化劑通過(guò)氧化層往材料內(nèi)部擴(kuò)散的速度變慢從而抑制了生長(zhǎng)[26].當(dāng)氧化飽和之后,輻射劑量對(duì)氧化層的生長(zhǎng)影響不大.

對(duì)于未鈍化的硅器件或者SiNx器件,表面經(jīng)輻射催化生長(zhǎng)的SiO2,其折射率小于Si的折射率,導(dǎo)致材料的有效折射率變小,從而產(chǎn)生一系列的影響; 對(duì)于鈍化的硅器件或者SiNx器件,輻射的影響較復(fù)雜.γ射線、X射線或者質(zhì)子等產(chǎn)生電離輻射,對(duì)于無(wú)源光子學(xué)應(yīng)用的器件中,沒(méi)有顯著影響; 然而α粒子等高能粒子轟擊波導(dǎo)時(shí),輻射對(duì)波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)造成位移損傷,而且隨著劑量增加,波導(dǎo)結(jié)構(gòu)損傷也會(huì)增加,增加了SiO2的折射率,導(dǎo)致波導(dǎo)包層和芯層折射率對(duì)比度減少,對(duì)光的限制能力減弱.在輻照劑量為14 Mrad之后,光束將不再繼續(xù)在波導(dǎo)中傳輸[18].在CMOS工藝中,氧化物SiO2通常是用熱氧化方法制備的,是無(wú)定形態(tài),輻射之后SiO2的Si-O-Si鍵角會(huì)減小約10°[32],輻射誘導(dǎo)非晶原子網(wǎng)絡(luò)致密化導(dǎo)致折射率增加[31].折射率變化的原因也不是輻射誘導(dǎo)結(jié)晶[25].

上述器件是基于干涉原理的功能性無(wú)源器件,它們對(duì)折射率變化非常敏感,任何導(dǎo)致波導(dǎo)中有效折射率變化的因素,如波導(dǎo)的氧化、晶格的缺陷、材料的致密化等,都將導(dǎo)致其波長(zhǎng)的變化.利用SOS(silica on silicon)實(shí)現(xiàn)的具有波分復(fù)用/解復(fù)用功能的陣列波導(dǎo)光柵(arrayed waveguide grating,AWG)屬于PLC (planar lightwave circuit)器件,由于其對(duì)折射率變化的敏感度較低[33,34],在總劑量為300 krad的60Co_γ射線輻照下,波長(zhǎng)僅偏移0.03 pm/krad,所以這種SOS AWG在該劑量下能正常工作[23].

對(duì)于無(wú)源器件來(lái)說(shuō),其主要損傷機(jī)制可以歸結(jié)為輻射導(dǎo)致表面加速氧化、輻射導(dǎo)致的晶格缺陷或者輻射誘導(dǎo)的非晶原子網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)致密化,從而導(dǎo)致材料中的體光學(xué)性質(zhì)變化.現(xiàn)階段關(guān)于無(wú)源器件的輻射效應(yīng)研究主要針對(duì)的是一些單獨(dú)的功能性器件,如Mach-Zehnder干涉儀、微環(huán)諧振腔、陣列波導(dǎo)光柵等被輻照前后的折射率變化,以此來(lái)探究各種輻射源對(duì)無(wú)源器件的影響.雖然可以通過(guò)適當(dāng)?shù)耐嘶饋?lái)恢復(fù)輻射引起的部分器件損傷,但是并不能完全解決硅基光電系統(tǒng)中無(wú)源器件在惡劣的輻射環(huán)境下性能會(huì)降低甚至失效的問(wèn)題,需要針對(duì)性地提出抗輻射器件的設(shè)計(jì)方案.

3.2 有源器件的輻射效應(yīng)

硅基光電系統(tǒng)中的有源器件包括激光器、探測(cè)器和調(diào)制器等.目前研究的激光器主要是基于Ⅲ-Ⅴ族材料的激光器,由于Si是間接帶隙半導(dǎo)體,發(fā)光效率低,所以硅光系統(tǒng)中硅基發(fā)光器件很難制備,通常是采用Ⅲ-Ⅴ族發(fā)光材料如InP,GaAs,AlGaAs等和硅光電路混合集成來(lái)解決硅基光電子系統(tǒng)的發(fā)光問(wèn)題[35].光電探測(cè)器低成本、小尺寸和高速響應(yīng)的優(yōu)勢(shì)使得其應(yīng)用前景較好,但目前僅有少數(shù)的機(jī)構(gòu)研究了硅基光電探測(cè)器的輻射效應(yīng),大部分機(jī)構(gòu)仍然重點(diǎn)研究基于Ⅲ-Ⅴ族光電探測(cè)器在輻照之后的性能變化,將Ⅲ-Ⅴ族探測(cè)器與硅基光電子芯片異質(zhì)集成也一直是硅光子研究的重要內(nèi)容和解決方案之一.對(duì)調(diào)制器的輻射效應(yīng)研究很少,主要是歐洲核子研究組織(CERN)針對(duì)硅光Mach-Zehnder調(diào)制器開(kāi)展了一些研究,以及Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室對(duì)Si-disk調(diào)制器的研究.

3.2.1 探測(cè)器

一直以來(lái),研究人員都致力于制作高響應(yīng)速度、高響應(yīng)度、低暗電流,工作波段為1300-1550 nm的近紅外光電探測(cè)器.然而由于能帶結(jié)構(gòu)的固有特性,硅的禁帶寬度為1.1 eV,波長(zhǎng)大于1100 nm的光很難吸收,因此制造光通信波段的探測(cè)器是困難的[36,37].鍺作為在紅外波段具有高響應(yīng)的材料,同時(shí)又具備與CMOS工藝兼容的制備技術(shù),故鍺硅探測(cè)器是目前被研究人員看好的硅基紅外光電探測(cè)器.硅基光電探測(cè)器主要包括體硅光電探測(cè)器和鍺硅光電探測(cè)器.

目前有少數(shù)關(guān)于硅基光電探測(cè)器的輻射效應(yīng)研究.Nikoli?等[38]發(fā)現(xiàn)硅基PIN光電二極管在60Co_γ射線下,總劑量為200 krad,光電流會(huì)減少,暗電流增加.意大利的Kumar等[39]用100 Mrad的60Co_γ射線輻射硅光探測(cè)器(n+/p/p+),反向漏電流增加.Ge-Si探測(cè)器在總劑量360 Mrad、能量為10 keV的X射線輻射下漏電流增加約兩倍[40].Seif El Nasr-Storey等[7]用20 MeV中子輻射Ge光電二極管,漏電流隨著中子注量增加而增加.Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室用60Co_γ射線輻射Ge-Si光電二極管,在反向偏壓下,總劑量為1 Mrad的輻射增加了暗電流[41].

當(dāng)硅基光電探測(cè)器位于X射線或γ射線等強(qiáng)輻射環(huán)境中時(shí),光子與束縛電子相互作用消耗動(dòng)能,電子吸收能量導(dǎo)致電離,產(chǎn)生電子空穴對(duì)[42],主要通過(guò)康普頓散射的二次電子帶有能量,會(huì)繼續(xù)與晶格原子相互作用,導(dǎo)致晶格原子離開(kāi)原來(lái)的晶格位置,產(chǎn)生間隙原子和空位,從而產(chǎn)生點(diǎn)缺陷,這和中子輻射引起的位移損傷一致.該缺陷會(huì)在帶隙中產(chǎn)生深能級(jí),充當(dāng)產(chǎn)生復(fù)合中心,并且深能級(jí)會(huì)補(bǔ)償淺受主或者施主能級(jí),導(dǎo)致有效載流子濃度減少,耗盡區(qū)變長(zhǎng),最終影響了光電流; 耗盡區(qū)的缺陷充當(dāng)復(fù)合或者隧穿效應(yīng)的陷阱,從而增加暗電流.這一系列輻射效應(yīng)導(dǎo)致探測(cè)器預(yù)期的響應(yīng)會(huì)受到影響,因此對(duì)硅光探測(cè)器的輻射效應(yīng)研究是很有必要的.

基于Ⅲ-Ⅴ族材料的探測(cè)器研究更成熟,這類探測(cè)器件的輻射效應(yīng)研究時(shí)間上也更早,典型的材料包括GaAs,AlGaAs,GaP和InGaAs.InGaAs和GaAs光電二極管在中子和π介子的輻射下,InGaAs二極管的暗電流顯著增加,響應(yīng)度迅速減弱,當(dāng)粒子注量(單位面積撞擊材料的粒子數(shù))大于1014particles/cm2時(shí),二極管的性能開(kāi)始退化,當(dāng)粒子注量達(dá)到1016particles/cm2左右時(shí)二極管近乎失效,然而GaAs的暗電流變化不明顯[43],但另有學(xué)者發(fā)現(xiàn)用類似的注量輻照類似的GaAs結(jié)構(gòu),輻射后暗電流增加了一個(gè)數(shù)量級(jí)[44].此外,不同的輻射源造成的損傷不同,191 MeV的π介子比20 MeV的中子造成的損傷高2-3倍[43].Gill等[45]用能量分別為0.8,6,20 MeV的中子和200 MeV的π介子輻射InGaAs/InP光電二極管,當(dāng)π介子注量達(dá)到2×1014pions/cm2時(shí),二極管暗電流大約為10 μA,響應(yīng)度降低; 200 MeV的π介子對(duì)二極管造成的損傷比0.8,6.0,20.0 MeV中子造成的損傷分別高2.3,4.0,7.0倍.InGaAs光電二極管在20 MeV中子輻射下,暗電流隨著注量增加而增加[7].

電離輻射會(huì)在氧化物中和半導(dǎo)體-絕緣體界面產(chǎn)生帶正電的缺陷電荷,可以顯著減少p摻雜區(qū)的載流子濃度甚至使其反型.但對(duì)于PIN光電二極管,器件速度由載流子在本征區(qū)域的傳輸時(shí)間決定,由于半導(dǎo)體-絕緣體界面遠(yuǎn)離中心吸收區(qū),載流子遷移率受半導(dǎo)體-絕緣體界面附近的充電效應(yīng)的影響很小.電離輻射導(dǎo)致光電二極管產(chǎn)生的少量損傷相比于位移損傷產(chǎn)生的影響很小.輻射在光電二極管中的主要損傷機(jī)制還是位移損傷[5].輻射通過(guò)非電離能量損失導(dǎo)致耗盡區(qū)產(chǎn)生點(diǎn)缺陷,缺陷密度隨著總劑量增加而增多,耗盡區(qū)的缺陷充當(dāng)了重組或者隧穿效應(yīng)的陷阱中心,從而導(dǎo)致暗電流增加.

在反向偏置二極管中,耗盡區(qū)內(nèi)吸收的光產(chǎn)生的光電流通過(guò)漂移被收集,耗盡區(qū)外產(chǎn)生的光電流通過(guò)擴(kuò)散被收集且過(guò)程較慢,主要取決于少數(shù)載流子的壽命.一般常用的光電二極管在較長(zhǎng)的工作波長(zhǎng)下主要是通過(guò)擴(kuò)散的方式收集電荷,在這種二極管中,輻射導(dǎo)致載流子壽命縮短從而引起更多的輻射損傷[6].因此,限定入射光的波長(zhǎng)范圍、調(diào)整光電二極管的摻雜水平和結(jié)寬度,使大部分光在耗盡區(qū)內(nèi)被吸收,從而減小電容并增加響應(yīng)時(shí)間,也能減輕輻射損傷.探測(cè)器性能會(huì)受到輻射的影響主要是因?yàn)檩p摻雜本征區(qū)域中的暗電流在輻照過(guò)程中顯著增加[5],所以抑制探測(cè)器在被輻照過(guò)程中暗電流的增加是提高其抗輻射能力的關(guān)鍵.

3.2.2 電光調(diào)制器

硅基電光調(diào)制器的機(jī)理包括電吸收、等離子色散效應(yīng)和電光效應(yīng)等.目前最為成熟的硅基電光調(diào)制器是利用等離子色散效應(yīng),將半導(dǎo)體中自由載流子濃度變化引起的光子吸收變化轉(zhuǎn)換為折射率的變化[46],導(dǎo)致載流子濃度變化區(qū)域的折射率發(fā)生變化從而引起出射光的強(qiáng)度調(diào)制.可以預(yù)見(jiàn)等離子色散效應(yīng)調(diào)制器的有源區(qū)是高摻雜的(1017-1018cm-3).目前主要是CERN在重點(diǎn)研究Mach-Zehnder調(diào)制器(MZM)的輻射效應(yīng).MZM用于將電數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為光數(shù)據(jù)流,圖5為MZM的示意圖.MZM是基于Mach-Zehnder干涉儀(MZI)工作的器件,入射光束被均勻等分成兩個(gè)單獨(dú)的光束進(jìn)入MZI的兩個(gè)臂中,在兩個(gè)臂中引入光程長(zhǎng)度差 ΔL ,兩個(gè)光束在輸出端相對(duì)于彼此累積了不同的相位差 Δ? ,利用相位差產(chǎn)生相長(zhǎng)干涉或相消干涉,當(dāng)兩個(gè)光束同相時(shí),即 Δ? 是2π的整數(shù)倍時(shí)發(fā)生相長(zhǎng)干涉,當(dāng)相位差 Δ? 是 π的整數(shù)倍時(shí)發(fā)生相消干涉,通過(guò)一個(gè)或兩個(gè)干涉儀臂中的相位調(diào)制可以有效地在MZI中實(shí)現(xiàn)幅度調(diào)制[47].

大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)升級(jí)到High Light(HL)-LHC之后,需要傳輸大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),基于硅光子的互連模塊是整個(gè)大裝置的重要組成部件.為了研究粒子碰撞實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)傳輸,CERN開(kāi)始研究硅光Mach-Zehnder調(diào)制器的輻射效應(yīng)[45,47-54].在能量為20 MeV,注量為1.2×1015[48],2.0×1015[49]和3×1016n/cm2[45]的中子輻照下,調(diào)制器發(fā)生非電離輻射,對(duì)其性能沒(méi)有影響,這個(gè)結(jié)果歸因于器件中的摻雜濃度很高,非電離輻射產(chǎn)生的缺陷相比于摻雜濃度而言低了幾個(gè)數(shù)量級(jí).而在總劑量為130 Mrad[48-50]、能量為10 keV的X射線下,調(diào)制器接收幾十Mrad的輻射劑量之后相移值就開(kāi)始降低,主要原因是電離輻射的產(chǎn)生.上述研究結(jié)果表明電離輻射導(dǎo)致MZM的光學(xué)調(diào)制性能顯著降低.為了解決這個(gè)問(wèn)題,CERN分別研究了波導(dǎo)刻蝕深度、耗盡區(qū)摻雜濃度以及反向偏壓對(duì)器件輻射響應(yīng)的影響.在電離輻射下,深蝕刻波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的相移比淺蝕刻波導(dǎo)的相移更大[51].淺蝕刻波導(dǎo)比深蝕刻波導(dǎo)更耐輻射,但是其吸收損耗更大[52].所以需要適當(dāng)考慮參數(shù)條件以平衡調(diào)制效率、損耗和抗輻射性能等因素.移相器耗盡區(qū)的摻雜濃度越高,相移越大[47].反向偏壓的值也會(huì)影響MZM的抗輻射性能[53],反向偏壓增加了器件中的電場(chǎng),導(dǎo)致大部分空穴從與電子的重組中逃逸而朝界面處運(yùn)動(dòng),這些空穴在Si-SiO2界面附近的SiO2中被俘獲,自由載流子濃度降低,折射率的變化降低,相移降低.輻照期間施加反向偏壓的相移比未施加反向偏壓的相移下降得更快,施加的反向偏壓越大,相移降低的速度越快.

圖5 MZM的示意圖[47]Fig.5.Schematic diagram of MZM[47].

CERN所做的粒子碰撞實(shí)驗(yàn)中輻射水平最高的區(qū)域工作溫度通常低至-30 ℃,所以溫度對(duì)器件的輻射效應(yīng)的影響也在研究范圍內(nèi),對(duì)于深蝕刻和淺蝕刻器件,抗輻射性能隨溫度的降低顯著增加,歸因于溫度越低空穴遷移率越低.對(duì)輻照后的MZM施加正向電流進(jìn)行退火,即使當(dāng)輻射劑量達(dá)到300 Mrad之后器件的損傷也能基本恢復(fù)[54].因此在低劑量率和需要定期關(guān)閉器件的應(yīng)用中加入退火可以顯著地增加硅光MZM器件的抗輻射性.

Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研究了垂直結(jié)Si-disk調(diào)制器在60Co_γ射線下的輻射效應(yīng),總劑量為1 Mrad,輻射之后器件的反向電流顯著增加,輻射靈敏度增加[41].Si-disk調(diào)制器是諧振器件,它的光譜響應(yīng)隨著載流子濃度變化而變化.反向偏壓下,電離輻射在氧化物和半導(dǎo)體-絕緣體界面積累正缺陷電荷,導(dǎo)致載流子濃度減少甚至使器件表面附近的p摻雜半導(dǎo)體反型,折射率減小.

對(duì)于Mach-Zehnder調(diào)制器或者Si-disk調(diào)制器等電光調(diào)制器來(lái)說(shuō),通過(guò)非電離能量損失產(chǎn)生的位移損傷產(chǎn)生的缺陷相比于硅中的高摻雜濃度而言低了幾個(gè)數(shù)量級(jí),所以位移損傷對(duì)其性能基本無(wú)影響.然而通過(guò)電離能量損失產(chǎn)生的電離輻射在氧化物中形成正捕獲電荷、在Si-SiO2界面累積正缺陷電荷,在電場(chǎng)作用下,P摻雜區(qū)的載流子濃度減少甚至產(chǎn)生夾斷效應(yīng),從而減少有效折射率,導(dǎo)致光學(xué)性能變差.

近幾年國(guó)外才著手研究硅光調(diào)制器的輻射效應(yīng),國(guó)內(nèi)還沒(méi)有相關(guān)研究,因此可供參考的數(shù)據(jù)較少.調(diào)制器作為收發(fā)機(jī)上重要的模塊,在輻射環(huán)境中對(duì)其性能開(kāi)展研究對(duì)于硅基光電子集成器件的空間應(yīng)用有巨大推動(dòng)作用.CERN已經(jīng)研究了調(diào)制器在X射線和中子輻射下的性能變化,Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研究了60Co_γ射線下Si-disk調(diào)制器的輻射效應(yīng),然而由于空間中的輻射主要是電子、質(zhì)子和少量的重離子等,所以還需要進(jìn)行更多相關(guān)的輻射研究工作.硅基電光調(diào)制器在粒子碰撞實(shí)驗(yàn)中的使用對(duì)于調(diào)制器在空間中的應(yīng)用有很重要的參考作用.

3.3 其他器件的輻射效應(yīng)

3.3.1 激光器

激光器的基本原理是施加正向偏壓時(shí)在p-n結(jié)處發(fā)生受激發(fā)射,激光發(fā)生在特定閾值電流之上.激光二極管的光輸出與復(fù)合率或過(guò)量的少數(shù)載流子壽命相關(guān).

60Co_γ射線產(chǎn)生電離輻射對(duì)激光器造成損傷,損傷程度與輻射劑量有關(guān).電離輻射降低了少數(shù)載流子壽命,這是由于非輻射復(fù)合中心的數(shù)量增加,會(huì)與輻射復(fù)合中心爭(zhēng)奪過(guò)量載流子,導(dǎo)致量子效率降低,所以激光器閾值電流升高.最早的研究出現(xiàn)在1970年,GaAs激光器在60Co_γ射線電離輻射下,其閾值電流略有升高,光強(qiáng)稍有減小[55].InGaAsP激光二極管被1 krad劑量的60Co_γ射線輻射后其光功率損失約10%[56].高功率激光二極管陣列在劑量為4 Mrad的60Co_γ射線的輻射下,閾值電流和量子效率值所受的影響較小[57].劑量高達(dá)100 Mrad的60Co_γ射線不會(huì)導(dǎo)致高功率激光二極管破壞性失效,輸出功率僅輕微降低[58,59].激光器在相對(duì)高電流密度且短的載流子壽命條件下工作,對(duì)電離輻射的靈敏度相對(duì)較低[57].電離輻射引起的復(fù)合中心能量較低,可以通過(guò)熱退火或者正向偏置二極管恢復(fù)閾值電流,室溫下隨著時(shí)間推移也可以發(fā)生退火從而恢復(fù)少部分損傷.

晶格的位移損傷對(duì)激光二極管的影響很大.材料晶格中產(chǎn)生的弗倫克爾缺陷對(duì),會(huì)在禁帶中引入深能級(jí),這些能級(jí)充當(dāng)陷阱和非輻射復(fù)合中心,位移損傷也會(huì)引起材料折射、吸收或者散射的變化以及一些電學(xué)性能如載流子壽命、電阻和載流子遷移率等變化.十幾年前,研究者們已經(jīng)研究了AlGaAs和GaAs激光器二極管在幾MeV到幾百M(fèi)eV的質(zhì)子下的輻射效應(yīng).研究表明垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)暴露在4.5 MeV的質(zhì)子下,粒子注量范圍為(1-9)×1013p/cm2,其閾值電流會(huì)升高[60].近紅外波段的光發(fā)射二極管在50 MeV的質(zhì)子輻射下,1010-1011p/cm2的注量,AlGaAs-GaAs雙異質(zhì)結(jié)LED比兩性摻雜劑制造的同質(zhì)結(jié)GaAs擴(kuò)散LED的性能降低更少,因?yàn)楹笳邔?duì)位移損傷更敏感[61].當(dāng)質(zhì)子能量高達(dá)500 MeV時(shí),注量范圍為1011-1012p/cm2,AlGaAs-GaAs雙異質(zhì)結(jié)LED更抗質(zhì)子損傷,而單異質(zhì)結(jié)器件表現(xiàn)出類似于兩性摻雜LED的靈敏度[62].在粒子注量為1015particles/cm2,能量為20 MeV的中子和191 MeV的π介子輻射下,VCSEL比邊緣發(fā)射激光器更抗輻射,短波長(zhǎng)器件比長(zhǎng)波長(zhǎng)器件表現(xiàn)更好[63],體積越小的激光器顯示出更高的抗輻射損傷能力[43].Sandia的環(huán)形核研究反應(yīng)堆(ACRR)上進(jìn)行的一項(xiàng)研究表明,激光二極管受到粒子注量為1.0×1014n/cm2的中子脈沖輻射,閾值電流顯著升高[56].文獻(xiàn)[43,63]建立了一個(gè)速率方程模型,該模型結(jié)合了退火的信息,用來(lái)預(yù)測(cè)在比典型的輻照測(cè)試低得多的粒子注量下使用時(shí)發(fā)生的性能退化.

激光二極管的性能在γ射線照射下不會(huì)發(fā)生明顯惡化,表明激光二極管對(duì)電離輻射相對(duì)不敏感,相反,其對(duì)中子和質(zhì)子等輻射引起的位移損傷很敏感.例如中子輻射對(duì)激光二極管造成的損傷比γ射線對(duì)其造成的損傷高約100倍[57].為了最大限度地減輕輻射效應(yīng),激光器應(yīng)具有下列特征：閾值電流低、出色的散熱能力、少數(shù)載流子壽命低、初始光輸出功率高.另外,激光二極管腔長(zhǎng)的變化會(huì)影響其抗輻射性能,因此在輻射加固和器件性能之間需要權(quán)衡考慮.

3.3.2 光 纖

光纖被廣泛用于光通信和光纖傳感,但是在空間等輻射環(huán)境下,光纖會(huì)產(chǎn)生輻射致衰減(RIA)[15].輻射對(duì)光纖的影響主要是導(dǎo)致光纖中形成色心,色心本質(zhì)上是輻射引起的點(diǎn)缺陷,色心會(huì)強(qiáng)烈吸收光纖中的傳導(dǎo)光,增加RIA.光纖中摻雜可以改變SiO2的折射率,因此芯區(qū)和包層的摻雜劑類型會(huì)強(qiáng)烈地影響光纖的抗輻射性.通常摻入Ge或P增加SiO2的折射率,然而摻入F或B會(huì)降低折射率.一般芯區(qū)的摻雜劑是Ge和P.研究表明,1 MeV的脈沖X射線,1.2 MeV的連續(xù)γ射線和14 MeV的中子分別輻射芯區(qū)摻雜Ge,GeP和P的光纖,對(duì)于P摻雜或者GeP摻雜的光纖,輻射劑量越大,RIA值越大,隨著波長(zhǎng)增大(300-1100 nm),RIA值減弱,其中沒(méi)有P摻雜的光纖其RIA較低,且隨著輻射劑量呈非線性變化,三種輻射源對(duì)光纖的RIA影響類似[11].同樣,在總劑量為1100 Mrad的γ射線下對(duì)光纖進(jìn)行輻照,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明光纖摻雜量越少其RIA值越低[64].更多光纖的輻射效應(yīng)研究的相關(guān)內(nèi)容,Sporea等[9]較好地詳述過(guò).

在過(guò)去十年間,隨著新材料、新技術(shù)和光纖在輻射環(huán)境中的應(yīng)用不斷涌現(xiàn),關(guān)于光纖的輻射效應(yīng)研究已經(jīng)取得一定的進(jìn)展.光纖在輻射環(huán)境中應(yīng)用時(shí)可能遇到的輻射類型有X射線、γ射線、電子束、α粒子、中子和質(zhì)子等,光纖的性能會(huì)受到這些輻射源性質(zhì)的影響,也會(huì)受到光纖自身的參數(shù)、溫度、輻射源的劑量和劑量率等因素的影響.輻射雖然會(huì)使光纖中產(chǎn)生色心,但是色心并不完全穩(wěn)定,一般可通過(guò)改變摻雜劑、溫度等條件使色心部分退火,從而改變光纖的耐輻射性.

4 硅光器件的輻射加固和應(yīng)用展望

目前在硅光器件的輻射效應(yīng)研究工作中,可供參考的試驗(yàn)和數(shù)據(jù)較少,而關(guān)于硅光器件的輻射加固研究更為稀缺.無(wú)源器件在輻照下發(fā)生性能變化主要是因?yàn)檩椛湟鸩牧袭a(chǎn)生晶格缺陷、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)致密化或者表面氧化等,從而導(dǎo)致材料的折射率變化,通過(guò)改變器件的結(jié)構(gòu),例如在器件表面生長(zhǎng)一層氧化層充當(dāng)鈍化層,可以適當(dāng)?shù)卦黾悠骷馆椛湫?然而Si表面生長(zhǎng)的自然氧化層厚度只能達(dá)到40 ?左右,而且只能一定程度地提高抗輻射性.輻射產(chǎn)生的具體影響與輻射源能量和劑量以及操作溫度有關(guān)[32].

有源器件的輻射加固可參考CERN在研究MZM的輻射效應(yīng)時(shí)提出的改變器件抗輻射性能的措施：他們通過(guò)改變波導(dǎo)的寬度、耗盡區(qū)摻雜濃度、波導(dǎo)的蝕刻深度(深蝕刻、淺蝕刻)、芯區(qū)和包層的材料以及摻雜的寬度等因素,從而降低器件對(duì)輻射的敏感度.硅基微電子SOI器件的輻射加固技術(shù)對(duì)硅光器件的輻射加固研究也有參考作用.SOI器件中的絕緣埋層和淺溝槽隔離氧化層對(duì)輻射最為敏感,通常可以從材料的改性、特殊工藝和器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面入手來(lái)降低SOI器件對(duì)輻射的敏感度[4,65].在制作過(guò)程中也要注意不要引入大量的氫,因?yàn)闅涞拇嬖跁?huì)使正缺陷電荷更接近氧化物-半導(dǎo)體界面,使界面態(tài)能級(jí)位置更接近禁帶中心,器件性能更容易產(chǎn)生退化[66].在光電器件中,當(dāng)輻射停止之后再次給器件施加電流時(shí),器件會(huì)發(fā)生退火,即在器件重新開(kāi)始工作時(shí),輻射產(chǎn)生的損傷會(huì)部分恢復(fù); 但是當(dāng)輻射對(duì)器件造成永久性的損傷時(shí),退火就不再起作用.

硅光器件的輻射效應(yīng)研究目前還都比較分散,硅基光電子技術(shù)在空間的系統(tǒng)應(yīng)用需要研究整個(gè)硅基光電集成芯片的輻射效應(yīng)以使其能夠適應(yīng)空間復(fù)雜的輻射環(huán)境.如果能夠熟悉硅基光電集成器件的輻射效應(yīng)并能設(shè)計(jì)出具有一定抗輻射性能的器件,那么硅基光電子集成芯片在空間中的應(yīng)用前景會(huì)非常廣闊.