【国际论文】美国宾夕法尼亚州立大学丨 Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管的高温运行和失效： 原位 TEM 研究

        由美国宾夕法尼亚州立大学的研究团队在 2025 年新刊 APL Electronic Devices 发布了一篇名为 High temperature operation and failure of Ga₂O₃ Schottky barrier diodes: An in situ TEM study（Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管的高温运行和失效： 原位 TEM 研究）的文章，该篇文章被杂志期刊 APL Electronic Devices 评为精选文章。

        Aman Haque 教授自 2002 年从美国伊利诺伊大学香槟分校获得机械工程博士学位。于 2003 年开始担任助理教授，2008 年获得终身教职，2012 年晋升为教授，至今在宾夕法尼亚州立大学担任机械工程学教授。

        该项研究是由美国国防部国防威胁降低局资助的“电离辐射与物质相互作用大学研究联盟”（IIRM-URA）项目下开展的，项目编号为 HDTRA1-20-2-0002。

        β-Ga₂O₃ 作为超宽禁带半导体材料，在高功率电子器件（如电动汽车、电信系统）中具有广泛应用。然而，其较低的热导率（11–27 Wm⁻¹ K ⁻¹）限制了其在高温条件下的稳定性，导致器件的降解和失效。以往研究主要基于失效前后对比分析，而本研究首次采用原位 TEM 进行高温工作状态下的实时观测，揭示 β-Ga₂O₃ 肖特基二极管（SBDs）在高温和正向偏压下的缺陷形成、演化及最终失效机制。

        β 相氧化镓（β-Ga₂O₃）因其超宽禁带和高理论击穿电场，被认为是下一代极端环境功率电子器件的理想材料。然而，其在高温或辐照环境下的实际可靠性远低于理论预测，存在明显差距。该项研究重点探讨了β-Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管（SBD）在高温运行时，由正向偏置引起的退化机制。与传统的后退化表征方法不同，本研究采用原位透射电子显微镜（TEM），在高温运行条件下实时观测 β-Ga₂O₃ SBD 内部缺陷的产生与演化，从而揭示其退化机理。

        研究发现：

        •退化机制涉及外部及自加热引起的热场作用，导致空位团和纳米级非晶化区域的形成，并在 β-Ga₂O₃ 晶体内部引入更高的压应变。

        •在高温偏置条件下，这些纳米级缺陷进一步演化为位错和堆垛层错，主要沿 (200) 晶格面生长。

        •最终失效机制涉及 Ni/Au 肖特基接触金属的扩散和混合，在 β-Ga₂O₃ 漂移层中形成金属聚集区（metal pool），导致极端电-热应力。

        •在阳极金属聚集区/β-Ga₂O₃ 界面处，缺陷累积导致高度非均匀的局部应变，并伴随空洞形成，致使器件的击穿失效。

        研究提供了关于 β-Ga₂O₃ 的缺陷形成、扩展及失效的基本物理机制，有助于优化器件设计，提高其在高温环境下的可靠性。

        •首次采用原位 TEM 研究 β-Ga₂O₃ SBD 在高温下的缺陷演化和失效机制，克服了传统“失效前后”对比分析的局限性。

        •揭示金属池（metal pool）在 β-Ga₂O₃ 失效中的关键作用，Ni/Au 在 300°C 即发生扩散，而先前的研究认为需 400°C 以上才会发生界面退化。

        •提出（200）晶格面堆垛层错主导 β-Ga₂O₃ 热失效的机理，为未来器件设计提供新思路。

        •验证 β-Ga₂O₃ 在 300°C 以上的击穿电场下降至 0.33 MV/cm，比理论值（0.48 MV/cm）低 31%，表明高温会加速 β-Ga₂O₃ 的电学退化。

        该研究通过原位 TEM 观测，首次揭示了 β-Ga₂O₃ SBD 在高温正向偏置下的失效机制：

        1. 185°C 时，空位团开始形成，导致局部应力集中。

        2. 300°C 时，Ni/Au 发生扩散，形成金属池，加剧局部热应力。

        3. 455°C 时，器件因裂纹扩展和层间剥离最终失效。

        4. （200）晶格面上形成滑移和堆垛层错，是主要的失效机制。

        研究表明，优化肖特基接触和热管理设计（如采用高导热衬底、界面钝化层）对于提升 β-Ga₂O₃ 高温可靠性至关重要。未来研究可进一步探讨高温下的反向偏置失效模式，为 β-Ga₂O₃ 高功率器件的工程应用提供更完整的设计准则。

图 1. （a）MEMS 芯片的扫描电子显微镜图像。（b）Ansys 模拟结果，显示在 4 V 时 MEMS 芯片的最高温度。（c）β-Ga₂O₃ SBD 的截面示意图。（d）-（f）β-Ga₂O₃ SBD 薄片的原位取出并安装到 MEMS 芯片中。（g）安装有 MEMS 芯片的 Protochips 加热和偏置夹具。（h）β-Ga₂O₃ SBD 的电子透明薄片。

图 2. 在不同偏置条件下 β-Ga₂O₃ SBD 的低倍率透射电子显微镜图像：（a）原始状态，（b）1 V 和 45 °C 下 60 秒，（c）2 V 和 85 °C 下 60 秒，（d）3 V 和 185 °C 下 60 秒，（e）4 V 和 300 °C 下 31 秒，（f）4 V 和 300 °C 下 45 秒，（g）4 V 和 300 °C 下 60 秒，（h）5 V 和 455 °C 下 50 秒。

DOI：

doi.org/10.1063/5.0250729