【国内论文】ISPSD 2026｜中科大龙世兵教授团队/哈工大/中科院联合揭示β-Ga₂O₃ UMOSFET单粒子效应及失效机制

        由中国科学技术大学龙世兵教授、徐光伟副研究员联合哈尔滨工业大学、中国科学院的研究团队在会议 2026 IEEE 38th International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs (ISPSD) 发布了一篇名为 Single-Event Effects and Corresponding Nanoscale Microstructure in β-Ga₂O₃ UMOSFETs: Device Reliability and Failure Mechanism（β-Ga₂O₃ UMOSFET中的单事件效应及其相应的纳米级微观结构：器件可靠性与失效机制）的文章。

        超宽禁带半导体 β-Ga₂O₃ 凭借其优异的材料特性，包括极高的巴尔加优值（BFOM）、较低的制造成本以及材料本身较高的原子位移能，在航天功率电子系统中展现出巨大的应用潜力。然而，空间环境中充斥着各种高能粒子，其中重离子诱发的单粒子效应（SEEs）是功率器件面临的主要可靠性威胁之一，可能导致航天器电子系统的严重故障甚至完全失效。

        与传统的硅基和碳化硅器件相比，β-Ga₂O₃ 材料本身具有极低的空穴迁移率（仅为 10⁻⁶-10⁻⁴ cm²/V・s 量级），这一特性使得辐照过程中产生的过剩空穴难以快速输运，容易在沟道和耗尽区发生积累，进而造成局部电场畸变，最终诱发热失控和器件烧毁。目前关于 β-Ga₂O₃ 功率器件的辐照研究主要集中在肖特基二极管上，而对于功率晶体管的单粒子效应研究则多停留在仿真阶段，缺乏实验数据支撑，这严重制约了 β-Ga₂O₃ 器件在空间环境中的实际应用验证。作为 β-Ga₂O₃ 垂直功率晶体管的代表性结构，U 型沟槽栅 MOSFET（UMOSFET）具有高电流密度和高单元密度的优势，适合大规模集成应用，但其在重离子辐照下的可靠性行为和失效机制至今尚未得到系统的实验研究。

        β-Ga₂O₃ 功率晶体管因其低成本、高巴尔加优值（BFOM）以及材料本身较高的原子位移能，在空间功率系统应用中极具吸引力。然而，空间环境中重离子诱发的单粒子效应（SEEs）会导致功率器件出现严重的可靠性问题，从而造成航天器失效。在本工作中，该团队采用 β-Ga₂O₃ U 型沟槽栅 MOSFET（UMOSFET），系统研究了垂直氧化镓晶体管在重离子辐照下的单粒子效应。在线性能量转移（LET）为 82.1 MeV・cm²/mg 的钽（Ta）离子辐照下，UMOSFET 的单粒子烧毁（SEB）电压达到约 200 V。同时，该团队发现单离子辐照在器件栅沟槽底部诱导了独特的热熔化孔洞。这些孔洞穿透外延层和氧化层，并最终到达金属电极；此类孔洞导致器件在非常低的注量（~2×10⁶ ions/cm²）和相对较低的偏置电压（~100 V）下发生退化和失效。

        · 首次实验验证：首次通过实验获得了 β-Ga₂O₃ 功率晶体管的单粒子烧毁（SEB）实验数据，填补了该领域的研究空白，在线性能量转移为 82.1 MeV・cm²/mg 的钽离子辐照下，SEB 电压达到约 200 V。

        · 发现独特失效机制：发现了重离子辐照在栅沟槽底部诱导形成的独特热熔化孔洞缺陷，这些直径 50~200 nm 的孔洞穿透氧化镓外延层、Al₂O₃ 栅介质层并延伸至金属电极，形成大量微小漏电路径，导致器件在低至 100 V 的偏置电压下发生严重退化。

        · 多尺度表征与机制阐释：结合扫描电子显微镜（SEM）、发射显微镜（EMMI）、透射电子显微镜（TEM）以及 TCAD 仿真，系统揭示了两种不同失效模式的物理机制：栅沟槽底部的空穴积累导致局部高温熔化形成孔洞造成器件退化；而 CBL 和漂移区中更长的离子径迹激发足够大的瞬态电流诱发热失控，在源极边缘发生烧毁。

        · 建立失效阈值图谱：明确了 β-Ga₂O₃ UMOSFET 在重离子辐照下的两个关键失效阈值：100 V 为退化阈值电压，200 V 为烧毁阈值电压，为该器件在空间辐射环境中的应用提供了重要的设计参考依据。

        尽管 β-Ga₂O₃ UMOSFET 在约 200 V 电压下发生单粒子烧毁，但在注量为 2×10⁶ ions/cm² 的钽离子辐照下，器件在相当低的偏置电压（~100 V）下就表现出显著的退化。这种退化机制主要归因于 β-Ga₂O₃ 本征的低热导率和极低的空穴迁移率，它们导致空穴在栅氧化层附近积累并产生局部热积累。这种热积累最终导致栅氧化层和相邻半导体区域的局部热熔化，形成独特的形貌。为了实现 β-Ga₂O₃ UMOSFET 在空间辐射环境中的可靠运行，必须进一步优化器件结构和制造工艺。潜在的技术策略包括采用高 k 材料、引入缓电场层以及增加沟槽底部的栅氧化层厚度，这些措施有望提高辐照诱导退化阈值。

该项目得到国家自然科学基金（批准号：U23A20358、62404214、62522411、62234007、62474170、61925110）、国家重点研发计划（编号：2024YFE0205200）、江苏省科技重大专项（批准号：BG2024030）、中国科学技术大学双一流建设科研基金（批准号：WK2100000055）、中国电子科技集团公司第四十六研究所项目（批准号：WDZC202446007）、苏州实验室开放研究基金（批准号：SZLAB-1208-2024-ZD012）的支持。

图 1. (a) β-Ga₂O₃ UMOSFET 的截面示意图和 (b) 制备的 β-Ga₂O₃ UMOSFET 的顶视图 SEM 图像。

图 2. (a) 转移特性，(b) 输出特性和 (c) β-Ga₂O₃ UMOSFET 的击穿特性。

图 3. 钽离子辐照期间的 SEB 测试特性。（插图：安装在加速器发射端口的被测器件（DUT）实物照片；辐照后 β-Ga₂O₃ UMOSFET 的顶视图 SEM 图像）。

图 4. (a) 辐照后 UMOSFET 的辐照前和辐照后转移特性以及 (b) 辐照后 UMOSFET 的输出特性（器件进一步退化）。

图 5. β-Ga₂O₃ UMOSFET 中单粒子效应示意图。

图 6. (a) 辐照后 β-Ga₂O₃ UMOSFET 栅沟槽的 FIB-SEM 表征：沟槽中的孔洞通过 FIB 进行截面切割，并使用 SEM 观察其截面形貌。(b) 在 50 V 漏极偏置下辐照后 β-Ga₂O₃ UMOSFET 的 EMMI 光信号采集，施加应力 30 s 和 400 s 后捕获到微弱光信号，栅沟槽中出现明显的亮点。

图 7. (a) 辐照诱导退化和烧毁后 UMOSFET 中栅沟槽孔洞的 HAADF 和 BF 图像（通过 TEM 获得）。(b) 沿孔洞径向的 EDS 结果。(c) 整个孔洞的 EDS 结果。

图 8. (a) UMOSFET 中重离子入射后关键参数的 TCAD 仿真。(b) 单离子辐照诱导的空穴在栅极附近积累导致附加电场和局部高温并导致熔化孔洞形成的示意图。(c) 辐照期间电流扩散和热积累导致热失控并引发单粒子烧毁的示意图。

DOI ： 

10.1109/ISPSD64561.2026.11553696