【会员论文】ISPSD 2026丨中国科大龙世兵教授联合团队开发高抗辐照β-Ga₂O₃横向异质结二极管，单粒子烧毁电压超450 V

      由中国科学技术大学龙世兵教授、徐光伟教授、周选择副研究员联合哈尔滨工业大学、中国科学院近代物理研究所的研究团队在学术会议2026 IEEE 38th International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs (ISPSD) 发布了一篇名为Demonstration of β-Ga₂O₃ Lateral Heterojunction Diodes with 450 V Single-event Burnout Voltage（β-Ga₂O₃ 横向异质结二极管的演示：450 V 单粒子烧毁电压）的文章。

背景

        β-Ga₂O₃ 超宽禁带半导体具备本征抗辐照特性，非常适用于宇航电子系统，可实现器件小型化、轻量化。但空间辐照下的单粒子效应（SEE）会在器件内部诱发载流子、加剧电场集中，引发局部过热，最终造成功率器件永久退化或烧毁失效。

        现有垂直结构 β-Ga₂O₃ 功率二极管抗单粒子烧毁（SEB）性能较差：厚外延漂移层会在重离子辐照下沉积大量电荷，大幅降低器件耐压，高压器件失效问题尤为突出；同时 β-Ga₂O₃ 空穴迁移率低、导热系数差的材料本征缺陷进一步恶化垂直器件的辐照可靠性。

        半绝缘 β-Ga₂O₃ 衬底与 MOCVD、MBE 外延技术成熟，为制备薄外延层横向器件提供了基础，薄外延结构可大幅减少离子沉积电荷、提升抗辐照能力。本文制备集成 p-NiO 结终端扩展（JTE）的横向异质结二极管，对比垂直器件系统研究其单粒子效应耐受性能。

主要内容

        本文研究了横向 β-Ga₂O₃/NiO 异质结二极管（HJD）的单粒子效应耐受性能。在线性能量传输（LET）为 82.1 MeV·cm²/mg 的钽离子辐照条件下，该横向异质结二极管展现出远优于垂直器件的抗单粒子能力。器件单粒子烧毁电压（VSEB）与静态击穿电压（V_br）比值可达0.4，大幅优于此前报道的垂直异质结二极管。阳极-阴极间距（L_AC）为10 μm、20 μm的横向器件比导通电阻分别为13.0 mΩ·cm²、36.8 mΩ·cm²，与垂直二极管性能相当。得益于长结终端扩展（JTE）结构对表面电场的抑制，L_AC=20 μm 的横向二极管在450 V反向偏置下经受重离子辐照后仍具备优异可靠性。该研究证明β-Ga₂O₃ 横向二极管在未来抗辐照宇航器件领域具备应用潜力。

创新点

        首次制备集成NiO-JTE 终端的薄外延层 β-Ga₂O₃ 横向异质结二极管，依托 200 nm超薄漂移层大幅降低重离子辐照下的电荷沉积量，从结构层面解决垂直器件厚漂移层电荷堆积引发的单粒子烧毁难题；

        辐照测试验证横向器件抗SEB 性能显著优于同规格垂直器件：横向器件VSEB/V_br比值约 4，垂直器件最高仅 0.21；20 μm 沟道横向器件可耐受 450 V 反向偏置重离子辐照无明显性能退化； 

        结合光学显微、EMMI发光定位、SEM 形貌表征明确横向器件单粒子烧毁失效路径：损伤沿阳极-阴极沟道横向延展，阳极边缘为电场集中与热失控核心区域；

        建立电热耦合二维仿真模型，阐明单粒子失效物理机制：辐照产生的空穴在阳极边缘堆积引发电场集中、碰撞电离，形成正反馈热失控；加长L_AC、扩展JTE可抑制表面峰值电场与温升，提升抗辐照能力；

        横向器件导通特性与垂直器件持平，同时兼具优异抗辐照性能，为宇航抗辐照宽禁带功率器件提供全新结构方案。

结论

        综上，本文系统研究了 β-Ga₂O₃ 横向异质结二极管的单粒子效应耐受性能。得益于超薄外延层可减少辐照电荷沉积，同时 NiO 结终端扩展（JTE）结构有效抑制表面电场，阳极-阴极间距 10 μm、20 μm 的横向器件单粒子烧毁电压分别可达 350 V、超过 450 V。器件烧毁形貌分析与单粒子效应仿真结果表明：重离子辐照产生的空穴在阳极边缘聚集，诱发电场集中与局部过热，进而引发热失控，最终造成器件灾难性烧毁。该研究证实 β-Ga₂O₃ 横向二极管具备优异抗辐照性能，同时为通过表面电场调控进一步提升器件单粒子耐受能力提供了设计思路。

项目支持

        本研究得到以下项目资助：国家自然科学基金（项目编号：U23A20358、62522411、62474170、62404214、62234007、62474170）；国家重点研发计划（编号2024YFE0205200）；江苏省科技重大专项（BG2024030）；苏州实验室开放课题（SZLAB-1208-2024-ZD012）。