Impact of Gamma Radiation on Fabricated Aluminum Gallium Nitride/Gallium Nitride Test Structures for Radiation-Hard Electronics

अंतरिक्ष के कठोर वातावरण में, परमाणु सुविधाओं के भीतर गहराई में, या कण त्वरकों (पार्टिकल एक्सेलरेटर) के पास, मानक इलेक्ट्रॉनिक घटक अक्सर विफल हो जाते हैं। उच्च-ऊर्जा कणों और किरणों की अदृश्य वर्षा जो इन स्थानों में व्याप्त होती है, एक कंप्यूटर चिप के भीतर नाजुक मार्गों को बाधित कर सकती है, जिससे यह काम करना बंद कर देती है या अप्रत्याशित व्यवहार करने लगती है। ऐसी स्थितियों में जीवित रहने के लिए, इंजीनियर 'वाइड-बैंडगैप सेमीकंडक्टर्स' के रूप में ज्ञात सामग्रियों के एक विशेष वर्ग की ओर देखते हैं। इनमें से, एल्युमीनियम गैलियम नाइट्राइड और गैलियम नाइट्राइड का संयोजन एक विशेष रूप से मजबूत उम्मीदवार के रूप में उभरा है। ये सामग्रियां स्वाभाविक रूप से कठोर हैं, जो अधिकांश रोजमर्रा के इलेक्ट्रॉनिक्स में पाए जाने वाले सिलिकॉन की तुलना में उच्च ताप और उच्च वोल्टेज को बेहतर ढंग से संभालने में सक्षम हैं। इस लचीलेपन के कारण, वैज्ञानिक यह समझने के लिए उत्सुक हैं कि ये सामग्रियां विकिरण से बमबारी होने पर वास्तव में कैसे प्रतिक्रिया करती हैं, ताकि ऐसे इलेक्ट्रॉनिक्स का निर्माण किया जा सके जो वहां विश्वसनीय रूप से कार्य कर सकें जहां अन्य विफल हो जाते हैं।

भारतीय प्रौद्योगिकी संस्थान जोधपुर के एक शोधकर्ता ने इस लचीलेपन का सीधे परीक्षण करने का निर्णय लिया। उन्होंने एल्युमीनियम गैलियम नाइट्राइड और गैलियम नाइट्राइड की एक वेफर ली और उसे छोटे टुकड़ों में सावधानीपूर्वक काट दिया ताकि सरल इलेक्ट्रॉनिक उपकरण बनाए जा सकें। एक सर्किट बोर्ड प्रिंट करने जैसी प्रक्रिया का उपयोग करते हुए, उन्होंने सामग्री को पैटर्न किया और दो-टर्मिनल डिवाइस बनाने के लिए एल्युमीनियम, क्रोमियम और सोने से बने धातु संपर्कों को जोड़ा। धातुओं के अर्धचालक (सेमीकंडक्टर) के साथ अच्छी तरह जुड़ने को सुनिश्चित करने के लिए उपकरणों को गर्म करने के बाद, टीम ने मापा कि उनके माध्यम से बिजली कैसे प्रवाहित होती है। इसके बाद उन्होंने इन उपकरणों को कोबाल्ट स्रोत से उत्सर्जित होने वाली गामा विकिरण, जो ऊर्जा का एक शक्तिशाली रूप है, के तीन विशिष्ट तीव्रता स्तरों: 100 cGy, 500 cGy और 1000 cGy के संपर्क में लाया। प्रत्येक एक्सपोजर के बाद, उन्होंने यह देखने के लिए फिर से बिजली के प्रवाह को मापा कि विकिरण ने उपकरण के व्यवहार को कैसे बदल दिया है।

परिणामों ने विकिरण के स्पष्ट और महत्वपूर्ण प्रभाव को प्रकट किया। किसी भी एक्सपोजर से पहले, उपकरण एक स्थिर धारा (करंट) की अनुमति देते थे, जो एक फॉरवर्ड वोल्टेज लागू करने पर 0.01697 एम्पियर था। यह प्रारंभिक रीडिंग एक स्वस्थ, कार्यशील उपकरण के आधार रेखा (बेसलाइन) के रूप में कार्य करती थी। हालांकि, 100 cGy गामा विकिरण के पहले एक्सपोजर के बाद, करंट नाटकीय रूप से गिर गया। प्रवाह घटकर केवल 0.000652 एम्पियर रह गया, जो लगभग 96 प्रतिशत की कमी थी। इस भारी गिरावट ने सुझाव दिया कि विकिरण ने सामग्री के भीतर दोष (डिफेक्ट्स) और ट्रैप्ड चार्ज उत्पन्न किए हैं, जो प्रभावी रूप से इलेक्ट्रॉनों के मार्ग को अवरुद्ध कर रहे हैं। उपकरण अभी भी काम कर रहा था, लेकिन वह काफी संघर्ष कर रहा था।

जब खुराक बढ़ाकर 500 cGy कर दी गई, तो व्यवहार अधिक जटिल हो गया। करंट एक सीधी रेखा में गिरना जारी नहीं रहा; इसके बजाय, यह थोड़ा बढ़कर 0.009103 एम्पियर हो गया। हालांकि यह मूल, अनएक्सपोज्ड मान से बहुत कम था, लेकिन आंशिक रिकवरी ने संकेत दिया कि विभिन्न बल सक्रिय थे। शोधकर्ता ने नोट किया कि जबकि विकिरण क्षति पैदा करना जारी रख रहा था, अन्य प्रक्रियाएं, जैसे कि विद्युत आवेशों का पुनर्वितरण या कुछ दोषों का ठीक होना, शायद साथ-साथ हो रही थीं। यह गैर-रेखीय प्रतिक्रिया दर्शाती है कि विकिरण के प्रति सामग्री की प्रतिक्रिया केवल एक साधारण, एकतरफा गिरावट नहीं है, बल्कि क्षति और रिकवरी के बीच एक गतिशील परस्पर क्रिया है।

1000 cGy की उच्चतम परीक्षण खुराक पर, करंट फिर से घट गया, जो 0.007126 एम्पियर पर स्थिर हुआ। यह अंतिम मान 500 cGy की रीडिंग से कम था लेकिन 100 cGy की रीडिंग से अधिक था, जिससे पुष्टि हुई कि उपकरण महत्वपूर्ण एक्सपोजर के बाद भी विद्युत रूप से कार्यात्मक बना रहा। शोधकर्ता ने निष्कर्ष निकाला कि विकिरण ने वास्तव में दोषों और ट्रैप्ड चार्ज को पेश किया था जो चलते हुए इलेक्ट्रॉनों को बिखेरते हैं, जिससे समग्र प्रवाह कम हो जाता है। हालांकि, तथ्य यह है कि उपकरण पूरी तरह से विफल नहीं हुए, यह सुझाव देता है कि एल्युमीनियम गैलियम नाइट्राइड और गैलियम नाइट्राइड संरचनाओं में गामा विकिरण की कम-से-मध्यम खुराक को सहन करने की प्राकृतिक क्षमता है।

ये निष्कर्ष अत्यधिक वातावरण के लिए इलेक्ट्रॉनिक्स के भविष्य के लिए मूल्यवान अंतर्दृष्टि प्रदान करते हैं। चूंकि उपकरणों ने विकिरण खुराक के आधार पर अपने विद्युत गुणों में एक मापने योग्य और सुसंगत परिवर्तन दिखाया, इसलिए उनका उपयोग विकिरण स्तरों को मापने के लिए सेंसर के रूप में किया जा सकता है। इसके अलावा, एक्सपोजर के बाद भी परिचालन योग्य रहने की क्षमता इन उपग्रहों, गहरे अंतरिक्ष अन्वेषण यानों और परमाणु नियंत्रण प्रणालियों में इनके उपयोग का समर्थन करती है जहाँ विश्वसनीयता सर्वोपरि है। यह अध्ययन पुष्टि करता है कि हालांकि विकिरण प्रदर्शन को कम करता है, यह इन उन्नत सामग्रियों को तुरंत नष्ट नहीं करता है, जिससे हमारे ब्रह्मांड के सबसे चुनौतीपूर्ण कोनों में काम करने के लिए डिज़ाइन किए गए अधिक मजबूत इलेक्ट्रॉनिक सिस्टम का मार्ग प्रशस्त होता है।