【会员论文】西安交通大学---γ射线TID效应及β-Ga₂O₃/Al₂O₃ MOSCAPs的辐照损伤恢复

        本研究的一部分由国家自然科学基金联合基金（项目编号：U23A20367）和国家自然科学基金（项目编号：62204198）资助。

        β-Ga₂O₃ 是一种超宽禁带半导体，因其高击穿电压和快速开关特性，在电力电子系统中备受关注.然而，金属-氧化物-半导体场效应晶体管 (MOSFET) 器件的性能和可靠性受到 Al₂O₃/β-Ga₂O₃ 界面处高界面态密度的严重影响。以往改善 β-Ga₂O₃ MOS 界面态密度的方法（如食人鱼预处理和热退火）通常有局限性，例如对衬底和介电层质量的严格要求，或高温可能对材料造成损害.此外，该研究还探讨了 γ 射线总电离剂量 (TID) 辐射对 β−Ga₂O₃/Al₂O₃ MOSCAPs 电学性能的影响，并提出了一种新的辐照损伤恢复方法. 先前关于总电离剂量（TID）效应的研究主要集中于 β-Ga₂O₃ 半导体材料中的缺陷行为，对氧化层及其与 β-Ga₂O₃ 材料界面影响的分析相对较少。因此，需要进一步研究以分析辐射损伤对 β-Ga₂O₃  基 MOS 器件的影响。

        本研究探讨了 γ 射线总电离剂量（TID）辐照对β-Ga₂O₃/Al₂O₃ MOSCAPs 电学性能的影响，并提出了一种基于超临界 N₂O（SCN₂O）流体氧化后退火（POA）工艺的新型辐照损伤修复方法。根据电容-电压（C–V）测量结果，在 γ 射线的累积剂量为 1.108 Mrad（SiO₂）后，净载流子浓度（N_d）下降了 28.7 %，界面态密度（D_it）从 4.41×10¹¹ 增加到 5.12×10¹¹ eV⁻¹ cm⁻²。同时，归因于正电荷氧化物困陷电荷（N_ot）的形成，有效陷阱电荷密度（N_eff）从−1.82×10¹² 至 −1.37×10¹² eV⁻¹ cm⁻²，导致平带电压（V_fb）降低。此外，正向漏电流密度增加了十倍，根据电流-电压（I–V）测量结果，击穿电压（V_br）降低了 9.5%。此外，漏电流分析表明，I–V特性的变化主要由 D_it 和 N_ot 的变化引起。此外，经过 120 °C 的 SCN₂O POA 工艺后，受辐照器件的损伤可以修复。具体而言，材料特性（如 N_d, D_it 和 N_eff）以及电学特性（如 V_br 和正向漏电流密度）均恢复至辐照前水平。研究结果表明，低温 SCN₂O POA 工艺在修复 β-Ga₂O₃/Al₂O₃ · 器件的 TID 辐照损伤方面具有广阔前景。

        •提出使用超临界 N₂O (SCN₂O) 流体氧化后退火 (POA) 工艺来修复 γ 射线辐照对 β−Ga₂O₃/Al₂O₃ MOSCAPs 造成的损伤。

        •在 120°C 的 N₂O 中进行低温修复，避免了高温可能对材料造成的损害。

        •实验证明，经过 SCN₂O POA 处理后，受辐照器件的材料特性和电学特性均能得到有效修复。

        本研究探讨了 1.108-Mrad（SiO₂）γ 射线辐照对 β-Ga₂O₃/Al₂O₃ MOSCAPs 电学性能的影响，并提出了一种新型低温 SCN₂O POA 用于修复辐照引起的损伤。辐照后，N_d 值下降了 28.7%，D_it 值从 4.41 × 10¹¹ 至 5.12 × 10¹¹ eV⁻¹ cm⁻²。归因于 N_ot 的形成，N_eff 值从 −1.82 × 10¹² 至 −1.37 × 10¹² eV⁻¹ cm⁻²，导致 V_fb 值下降。此外，漏电流密度增加了十倍，而 V_br 减少了 9.5%。漏电流分析表明，辐射诱导的陷阱和电荷是导致 V_br 降低和 MOSCAPs 漏电流增加的主要原因。此外，经过 SCN₂O POA 处理后，材料性能和电学性能趋于恢复到辐照前的状态，表明 SCN₂O POA 对修复 β-Ga₂O₃/Al₂O₃ MOSCAPs 中的 TID 辐射效应具有实用性。具体而言，辐照材料的 N_d、D_it 和 N_eff 分别恢复至 2.36 × 10¹⁶ cm⁻³, 4.40 × 10¹¹ eV⁻¹ cm⁻², −2.15 × 10¹² eV⁻¹ cm⁻²，与辐照前状态一致。此外，受辐射诱导缺陷和陷阱影响，漏电流在较低电场下由 PF 机制主导，而在较高电场下由 TAT 机制主导。简而言之，这些发现为辐射诱导损伤的修复以及 β-Ga₂O₃ MOS 器件在辐射环境中的性能提升提供了宝贵见解。未来，SCF 将以更具针对性的方式引入 Ga₂O₃ 器件的设计与制备，以提升其辐射抗性。

图1. β-Ga₂O₃/Al₂O₃ MOSCAPs 的示意图。

图2. (a) 不同条件下的C–V曲线。1/C²–V曲线：(b) 辐照前和(c) 辐照后。 (d) SCN₂O POA处理。

DOI：

doi.org/10.1109/JSEN.2025.3560314