【会员论文】南京大学叶建东教授&哈工大团队：1.35 GeV高能重离子辐照下NiO/β-Ga₂O₃异质结二极管的灾难性烧毁机制

        由哈尔滨工业大学与南京大学组成研究团队在学术期刊 Applied Physics Letters 发布了一篇名为 Catastrophic burnout mechanisms of NiO/β-Ga₂O₃ heterojunction diodes irradiated by 1.35 GeV high-energy heavy ions（1.35 GeV 高能重离子辐照下 NiO/β-Ga₂O₃ 异质结二极管的灾难性烧毁机制）的文章。

        本研究得到中国国家重点研发计划（No. 2022YFB3605403，2023YFA1609000）、江苏省重点研发计划（No. BE2023007-4，BK20232045）以及国家自然科学基金（No. 12075069，12275069）的支持。（No. BE2023007-4，BK20232045）、中国国家自然科学基金（No. 12075069，12275061，62304102，62374084，62234007，62293522，U21A20503，U21A2071），空间环境与物质作用全国重点实验室，以及广东省基础与应用基础研究基金（No. 2025A1515011965）。文章作者致感谢哈尔滨工业大学空间环境模拟与研究基础设施（SESRI）及空间环境与物质作用前沿科学中心提供的辐照支持。

        β-氧化镓（β-Ga₂O₃）因其超宽禁带和高击穿场强等优点，在航天等领域的功率电子应用中具有巨大潜力。在空间辐射环境中，器件会受到高能重离子的轰击，这不仅会加速器件性能退化，还可能导致灾难性的单粒子烧毁。尽管已有研究关注重离子撞击引起的局部高电场效应，但对于辐照诱导的缺陷行为以及其如何导致灾难性烧毁的详细物理机制，尤其是在 NiO/β-Ga₂O₃ 异质结二极管（HJD）中，仍缺乏深入的实验研究。线性能量传递（LET）作为衡量重离子在器件特定深度沉积能量的关键指标，被 JEDEC 标准列为评估辐射抗性的核心参数。器件通常需耐受高达 75 MeV·cm²/mg 的 LET 值。实现此类辐照需使用钽离子等高能重离子，而全球仅有少数辐照设施具备此能力。资源获取的局限性制约了对新兴 Ga₂O₃ 功率器件辐照响应与耐久性的全面认知，使该领域研究仍处于探索阶段。阐明这些复杂的失效机制对于评估和提升 Ga₂O₃ 器件在极端辐射环境下的可靠性至关重要。

        超宽禁带 β 相氧化镓（β-Ga₂O₃）功率器件在空间应用中具有巨大潜力；然而，其对重离子辐照的固有脆弱性——特别是缺陷行为和灾难性烧毁机制——仍未被充分探索。本研究通过 1.35GeV 高能钽离子辐照下进行偏压依赖的多轮统计实验，在 NiO/β-Ga₂O₃ 异质结二极管（HJD）烧毁前识别出电子与空穴陷阱。其中引入的空穴陷阱 H₂（E_V + 0.6 eV,2.9 × 10¹³ cm⁻³）通过破坏结障壁而主导器件损伤相关的不可逆泄漏退化。基于“热尖峰”物理理论，该 Ga₂O₃ 陷阱归因于离子入射轨迹沿线的电子能量损失，可能形成局部非晶态潜伏轨迹。除器件损伤外，辐照 HJD 的灾难性烧毁现象在两个区域呈现：区域 I（p-NiO/n⁻-Ga₂O₃）以陷阱辅助电场击穿为主，区域 II（n⁻-Ga₂O₃/n⁺-Ga₂O₃）则表现为电荷积累引发的热驱动损伤。此外，热效应还沿载流子消散路径影响区域 I 的活性区。这些发现揭示了 β-Ga₂O₃ 器件在重离子轰击下的损伤与失效机制，为提升辐照抗损能力提供了策略依据。

        •通过 DLTS 实验，在重离子辐照的 Ga₂O₃ 器件中识别出导致漏电劣化的关键缺陷，并将其与“热钉”模型和电子能损关联，阐明了烧毁前不可恢复损伤的物理起源。

        •创新性地通过精细的失效物理分析，提出了一个双区域、双机制的灾难性烧毁模型，即顶层异质结的“电击穿”和底层体结的“热烧毁”，为理解复杂失效路径提供了全新视角。

        •采用多轮次、多偏压的统计性实验方法，系统地研究了从性能逐渐退化到最终灾难性烧毁的全过程，获得了宝贵的实验数据。

        本研究探讨了 NiO/β-Ga₂O₃ 异质结二极管在 1.35 GeV 钽离子照射下由重离子辐照引发的退化与烧毁机制。延迟电位瞬态测量揭示，引入的空穴陷阱 H₂ 是烧毁前不可逆漏电流退化的主要成因。该陷阱的形成源于离子轨迹沿线电子能量损耗，符合热脉冲模型。灾难性烧毁现象在两个不同区域出现：p 型 NiO/n 型 Ga₂O₃ 异质结区（区域 I）主要由陷阱辅助电场驱动，底部 n^-/n⁺-Ga₂O₃ 体结区（区域 II）则主要受热效应驱动。这些发现深化了对 β-Ga₂O₃ 器件在极端辐射环境下行为的认识，并为未来增强策略提供了依据。

图1. (a) NiO/β-Ga₂O₃ 高能离子掺杂器件（HJD）的工艺流程图及示意结构。(b) 制备器件的截面 SEM 图像。(c) 重离子辐照前制备 HJD 器件的正向与反向 I-V 特性曲线。反向漏电流曲线中的电流振荡源于仪器测量限制。

图2. (a) SESRI 重离子辐照实验终端及待测器件。 (b) 在 3 秒重离子束脉冲、12 秒周期条件下，离子入射时的瞬态漏电流曲线。 (c) 辐照后 HJD 在不同偏压下的漏电流曲线。(d) 器件在 -250 V 偏压下（U_R=5 V，U_P=0.1 V）辐照前后的 DLTS 谱图。(e) β-Ga₂O₃ 中空穴陷阱 H₂ 的浓度随深度变化曲线。(f) 由 SRIM 程序模拟的 Sn 和 Se 特性曲线。

图3. (a) 辐照 HJD 器件灾难性烧毁的光学照片。(b) 发射显微镜图像显示出与局部损伤区域对应的明显高强度发射点。(c) 从器件中心延伸至边缘的横截面剖切图及对应切片图像 (d)–(f)。可见烧蚀路径贯穿整个外延结构深入高掺杂衬底，形成沙漏状轮廓：中间层狭窄，顶底区域逐渐扩张。向外围逐步切片（图 (e) 和 (f)）显示，烧毁损伤主要集中于顶部的 p-NiO/n^--Ga₂O₃ 异质结区域（区域 I）和底部的n^--Ga₂O₃/n⁺-Ga₂O₃体结（区域 II）。

图4. 考虑陷阱效应时，重离子入射下 (a) 280 V 和 (b) 250 V 偏压下的模拟电场分布，以及 (c) 280 V 无陷阱条件下的分布。(d) 沿剖面线 A-A' 提取的横向电场深度分布。(e) 异质结跨接区域随辐照时间变化的垂直电场分布。(f) 碰撞电离与载流子积累示意图。

图5. (a) 模拟的时分辨载流子碰撞电离速率和 (b) 晶格温度。

DOI：

doi.org/10.1063/5.0281797