【会员论文】复旦大学、中国电科13所、江南大学集成电路学院等联合团队：β-Ga₂O₃ SBD在5 MeV质子辐照下的降解机制研究

        由复旦大学、中国电科13所固态微波器件与电路全国重点实验室、江南大学集成电路学院等单位联合的研究团队在学术期刊 IEEE Transactions on Electron Devices 发布了一篇名为 Investigation of the Degradation Mechanism of β-Ga₂O₃ SBD on 5 MeV Proton Irradiation（β-Ga₂O₃ SBD 在 5 MeV 质子辐照下的降解机制研究）的文章。

        本研究部分由国家自然科学基金委员会（项目编号：U24A20298）和射频异质异构集成全国重点实验室（项目编号：KF2024019）资助。

        β 相氧化镓（β-Ga₂O₃）因其超宽禁带和高击穿场强，在航空航天等需要承受严苛辐射环境的大功率应用中备受关注。空间环境中的高能质子会对半导体器件造成位移损伤，引入缺陷，从而导致器件性能退化，影响其长期可靠性。肖特基势垒二极管是 β-Ga₂O₃ 功率器件的基本构件，研究其在质子辐照下的性能退化行为和物理机制，对于评估其空间应用的可靠性至关重要。目前，关于高能质子辐照如何具体影响 β-Ga₂O₃ SBD 的电学特性，特别是其反向漏电的微观机理，还需要深入研究。

        本文研究了 5 MeV 质子辐照对 β-Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管（SBD）电性能的影响，以揭示与缺陷和能带相关的退化机制和行为。在以 10¹³ n/cm² 的注量进行质子辐照后，β-Ga₂O₃ SBD 的正向电流密度降低，势垒高度上升 0.2 eV，理想因子从 1.056 退化到 1.092。从 C-V 特性曲线可以看出，外延层中的载流子浓度（从 1.05×10¹⁶ 到 0.3×10¹⁶ cm^-3）由于漂移层中的陷阱态而显著降低，从而导致势垒高度升高。另一方面，利用随温度变化的电流-电压测量，发现质子辐照后 β-Ga₂O₃ SBD 的反向漏电是由 Poole-Frenkel 发射（PFE）机制引起的。深能级瞬态谱（DLTS）测量进一步表明，E_c-0.82 eV（偏移至 E_c-0.81 eV）源于先前存在的缺陷，而 E_c-0.72 eV 和 E_c-1.04 eV 则是质子辐照新引入的。相对较浅的陷阱态 E_c -0.72 eV 具有较大的捕获截面（2.25×10^-12 cm^-2），它促成了 PFE 并主导了陷阱辅助漏电。最后，较低的陷阱激活能（从 0.82 到 0.72 eV）和较高的肖特基势垒高度（从 0.90 到 1.18 eV）均导致 β-Ga₂O₃ SBD 的正向导通和反向漏电的退化。

图1. (a) 封装和芯片。 (b) β-Ga₂O₃ 反向偏置二极管（SBD）的示意性横截面图。

图2. (a) 300 K 时正向 I–V 特性曲线（线性坐标和半对数坐标）及 (b) 350 K 时的情况。

DOI：

doi.org/10.1109/TED.2025.3574112