【会员论文】APL丨哈工大徐晓东和李兴冀研究团队：170 keV 质子辐照诱导β-Ga₂O₃肖特基势垒二极管性能提升与缺陷演化研究

        β-Ga₂O₃ 作为新一代超宽禁带半导体材料，具备 4.9 eV 的禁带宽度、高达 8 MV/cm 的击穿场强和优异的 Baliga 优值，在高压、高频、高功率电子器件中极具应用潜力。同时，因其较高的原子位移能阈值，β-Ga₂O₃ 在抗辐射性能方面也优于 GaN 和 SiC，有望应用于太空辐射环境中。太空辐射环境主要由能量从几十 keV 到数百 MeV 的质子组成，因此质子辐照效应对 β-Ga₂O₃ 器件的可靠性至关重要。以往研究表明，高能质子辐照通常会导致器件性能退化，例如增加界面态、引入深能级缺陷、降低载流子浓度等。然而，低能质子（如170 keV）的辐照效应及其对器件性能的潜在影响尚未被充分探索。

        ● 使用自研软件 ERETCAD，针对 170keV 质子辐射试验场景，进行了辐射诱导缺陷演化仿真，为精准揭示缺陷演化机制提供了关键依据。通过试验测得的缺陷能级与 β-Ga₂O₃ 缺陷数据库比对，实现了辐射诱导电活性缺陷的识别与定义。

        ● 发现了170 keV低能质子辐照可改善 β-Ga₂O₃ 肖特基二极管的电学特性，核心机制在于入射质子诱发缺陷演化，通过质子钝化镓空位缺陷，降低E1缺陷浓度，促使载流子浓度提升。

        本工作报道了 170keV 质子辐照对 n 型 β-Ga₂O₃  SBD 电学特性及缺陷演化的影响。结果表明，低能质子辐照可显著提升器件性能：开启电压降低，正向电流密度增加，载流子浓度提升。深能级瞬态谱分析显示 E1 缺陷受到抑制而 E2 缺陷增强，表明质子促进了本征缺陷演化。质子在钝化镓空位及促进缺陷重构中发挥关键作用，质子钝化缺陷信号未在深能级瞬态谱中出现，是因为在 n 型器件中其电荷跃迁能级远离导带底。本研究揭示了低能质子辐照下氢辅助缺陷演化的微观机制，为优化 β-Ga₂O₃ 功率器件的电学性能提供了新策略。

        本工作获国家自然科学基金（No. 12305300） 和中国电子科技集团公司第四十六研究所创新项目（No. WDZC202446008）资助。

图1. (a) 170 keV质子辐照下β-Ga₂O₃ SBD的结构示意图。(b)β-Ga₂O₃ SBD中入射质子的模拟分布。(c) β-Ga₂O₃ SBD的非电离能量损失（NIEL）与缺陷浓度（NT）深度分布图，右侧附器件的光学显微镜（OM）图像。

图2. (a) 经170 keV质子以原始状态、1×10¹³、1×10¹⁴和1×10¹⁵p/cm²注量辐照后β-Ga₂O₃ SBD的J-V特性曲线。(b) 理想因子随电压的变化关系。(c) 质子辐照前后对应的电容-电压C-V特性（左侧纵轴）与1/C²-V特性（右侧纵轴）曲线。(d) β-Ga₂O₃ SBD随温度变化的J-V特性曲线。

图3. (a)β-Ga₂O₃  SBD在1×10¹⁵p/cm²质子辐照前后的DLTS谱图，紫色曲线对应室温储存16个月后的样品。(b) DLTS的阿伦尼乌斯拟合曲线。(c) β-Ga₂O₃ 禁带内缺陷的实验与理论电荷跃迁能级对比示意图。

图4. (a) 170 keV质子辐照前后Ga3d能级的高斯拟合XPS谱图。(b) 170 keV质子辐照前后O1s能级的高斯拟合XPS谱图。

图5. (a) 富氧条件下 V_GaI-H、V_GaI-2H、V_GaI-3H 复合体形成能随费米能级的变化关系。(b) 富镓条件下V_GaI-H、V_GaI-2H、V_GaI-3H 复合体形成能随费米能级的变化关系。(c)β-Ga₂O₃ 中 V_GaI-H、V_GaI-2H、V_GaI-3H 复合体缺陷的电荷转变能级。

图6. 170keV质子辐照诱发β-Ga₂O₃ SBD缺陷演化路径示意图。步骤Ⅰ：镓空位的氢钝化过程；步骤Ⅱ：三空位复合体的形成过程。

DOI:

10.1063/5.0308041