日益增长的全球能源需求要求电力电子器件能够提高电力系统的能源传输效率。与硅基器件相比，宽禁带功率半导体器件具有更高的工作温度和工作电压，同时具备响应速度快、功率损耗低等显著优势
[1]，现已广泛应用于轨道交通、电动汽车、光伏和消费电子等领域。随着空间科学技术的不断发展，宽禁带半导体在地外空间极端环境中的应用也受到了广泛关注。在航空航天领域中服役的宽禁带半导体器件受到宇宙射线的持续辐射及其与地球磁场、大气的相互作用，由此产生的复杂缺陷会对材料结构与器件性能造成严重影响。因此，探究宽禁带半导体的辐射效应规律、缺陷间的相互作用机制、抗辐射加固设计方法对于增强材料在极端环境下的服役性能、提高未来设备服役的稳定性具有关键的指导意义。
宽禁带半导体辐照损伤的研究需以合适的科学研究方法作为支撑。空间在轨实验可以真实地反映宽禁带半导体材料、器件、电路等在空间环境中的表现，获取最准确的实验数据。然而，空间在轨实验资源紧张，能装载的样品十分有限，价格昂贵、测试时间长，且无法观测样品的全局变化。
利用地面模拟实验装置，可以模拟导致材料和器件性能变化的各种空间环境辐射效应，以此探究辐照对材料、器件的作用机理，评估样品的抗辐照能力。通常在地面实验室对空间、大气等环境中的各种粒子射线进行不同保真度的模拟实验，以测试材料和器件的响应特性。
地面模拟实验针对不同类型的辐照损伤效应，采用不同的实验方案。位移损伤效应由入射粒子与半导体材料的原子核碰撞产生的晶格原子位移引起
[2]，通常应用非电离能量损失率等效方法，将地面模拟实验中的辐照参数等效为一定能量质子的辐照通量进行实验。单粒子效应
[3]是指空间单个高能重粒子穿过器件敏感区域时，在其行径轨迹上电离形成额外电荷，并对器件电学特性及其可靠性造成的影响，可以通过粒子加速器模拟高能质子或重离子的入射过程。总剂量效应
[4]是指长期辐射引起的电离效应与电荷积累，导致半导体器件性能退化或失效，常采用具有剂量率梯度的γ射线源作为辐射模拟源以模拟实际空间辐射环境中的累积效应。
然而，真实在轨环境下宽禁带半导体材料会受到多种辐照损伤效应的共同作用，即空间环境多因素协同效应
[5]。这要求实验设备具有提供不同种类、不同剂量率等辐射源的能力。辐照效应的地面模拟实验在客观上能提供较为准确的实验数据，且实验周期相较于在轨实验有明显优势。但是地面实验仍存在设计难度大、技术要求高、实验成本高等问题，且属于破坏性实验，作为常用研究手段大面积推广存在一定阻力。
近年来，随着计算机科学与各种计算模拟理论的蓬勃发展，计算机模拟方法在材料科学领域中的作用愈发显著。空间辐照效应的建模仿真是宽禁带半导体辐照损伤研究的重要方法之一。随着仿真分析平台的开发与改进，国内外团队提出了许多辐照效应的模型，在不同的空间与时间尺度上开展了一系列的研究。
基于密度泛函理论（Density Functional Theory，DFT）的第一性原理计算方法
[6]能够准确描述材料中空位、间隙原子和复合缺陷等微观结构及其相关的电子态变化，从而深入揭示辐照损伤的形成机制与演化规律，为定量研究辐照对材料结构与性能的影响提供了重要的理论依据。然而，由于计算精度和资源需求的限制，通常适用于小系统（几十至几百个原子模型），难以模拟大规模辐照损伤过程，因而在研究扩展缺陷和大尺度缺陷演化方面存在一定的挑战
[7]。
分子动力学（Molecular Dynamics，MD）模拟方法相较于第一性原理计算，能够处理更大时间和空间尺度的原子模型，揭示辐照损伤初期的级联碰撞过程
[8]，预测材料在极端条件下（如高温、高辐照剂量）的性能变化，适用于研究材料在原子尺度上的辐照损伤缺陷数量、种类、分布等动态演化过程。这是预测缺陷的稳定性和聚集行为及评估抗辐照性能的重要依据
[9]。然而，分子动力学模拟通常依赖于经典力场模型，尽管经典力场能够较好地描述原子间的相互作用，却无法允许动态可变的电荷转移，因此可能无法完全准确地捕捉电子间相互作用产生的强关联效应与自旋、凝聚等电子复杂行为
[10]。
与分子动力学相比，动力学蒙特卡洛（Kinetic Monte Carlo，KMC）方法
[11]基于蒙特卡洛方法的思想，通过随机抽取事件（例如缺陷的跃迁、缺陷生成等），模拟系统的演化过程。通过这种方法对可能的事件进行概率采样，以此有效地描述复杂的动力学过程。由于采用统计学方法，KMC不需要对每个事件的详细动态进行逐步模拟，因此计算效率较高，能够扩展到年量级的时间尺度。KMC方法侧重于缺陷的跃迁和整体系统的演化，因此无法提供与MD方法同等详细的原子级运动信息。对于需要精确描述原子级行为的研究（如具体缺陷的局部结构变化），KMC方法可能不如MD方法直观
[12]。
宏观尺度上，有限元方法（Finite Element Method，FEM）仿真利用数值模拟，通过建立偏微分方程模型并求解相应的边值问题，可以模拟辐照后的半导体材料与器件在温度场、应力场等多物理场耦合作用下的应力、应变和膨胀现象
[13]，进而研究材料辐照缺陷积累所产生内应力引起的宏观变形情况
[14]。但是，辐照损伤研究中的有限元仿真方法依赖于微观尺度下（如第一性原理计算、分子动力学模拟）的建模仿真结果作为输入数据。
上述建模仿真方法在宽禁带半导体辐照损伤的研究中各具优势，针对不同的研究需求可以提供不同尺度和层次的描述。设计多场多尺度研究方法能够将各类建模仿真方法的优势有机结合，从而克服单一方法的局限性
[15]。因此，随着机器学习的快速发展，机器学习原子间势函数（Machine Learning Interatomic Potentials，MLIPs）成为了研究宽禁带半导体辐照损伤的重要方法。通过学习从第一性原理计算中获得的数据，机器学习训练的势函数能够在大规模原子尺度和高精度下有效捕捉传统经典力场模型难以精确描述的复杂原子间相互作用，尤其是高阶相互作用（如多体效应、非线性效应）和异质材料界面，进而为辐照损伤过程中的缺陷生成、迁移和聚集等行为提供准确描述
[7]。另外，机器学习原子间势函数可以结合上述提到的各类仿真方法，为器件仿真提供缺陷密度、缺陷演化路径、应力应变分布等关键数据，通过在不同尺度上整合耦合物理场（如温度场、应力场和电场）的仿真，不仅可以更全面地揭示辐照损伤的微观机制，还能够为实际器件性能预测提供更加准确和可靠的数据支持，推动宽禁带半导体材料的设计和优化。
建模仿真与在轨实验、地面模拟实验相比，大大缩减了实验成本，是高效、经济的研究方法，但依然存在以下技术难点与挑战：第一，建模仿真是实际问题近似为理想化物理问题的过程，无法完全真实地模拟实际辐照环境与材料变化情况，因此建模仿真方法与实验结果存在误差；第二，建模仿真的时间、空间尺度与实际在轨情况相差很大，真实尺寸器件的长时间辐照损伤过程需有效地、尽可能保真地集成到仿真模型中；第三，高精度的建模仿真不仅需要大量的计算资源，而且需要高效的算法和优化策略，以减少计算时间和资源消耗。
未来，需要进一步思考如何将各尺度的建模仿真方法与在轨或地面模拟实验相统一，完善从小尺度结果到大尺度的映射方法，确保仿真结果到实验结果的可迁移性，最终实现全时域缺陷演化过程的描述。这是建模仿真与实验技术共同进步的结果。
宽禁带半导体的辐照损伤研究的发展日新月异，属于前沿交叉领域。随着新技术的不断涌现和研究方法的不断优化，预计该领域将在未来取得更多突破，为高性能宽禁带半导体器件的设计与应用提供更加坚实的基础。希望本文的讨论能为相关领域的研究者提供一些启发，并促进更多跨学科的合作与交流，共同推动宽禁带半导体技术的进步与发展。
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