【国内论文】工信部电子五所马腾研究员团队：1864 MeV Ta离子辐照NiO/β-Ga₂O₃异质结二极管的两阶段退化机制研究——从载流子补偿到结构损伤

日期：2026-07-02阅读：1346

由工信部电子五所马腾研究员团队在学术期刊 Applied Physics Letters 发表了一篇名为 “Two-regime degradation associated with carrier compensation and structural instability in NiO/β-Ga₂O₃ heterojunction diodes under 1864 MeV Ta-ion irradiation”（1864 MeV Ta 离子辐照 NiO/β-Ga₂O₃ 异质结二极管的两阶段退化机制研究——从载流子补偿到结构损伤）的文章。

背景

β-Ga₂O₃ 作为典型超宽禁带半导体，具有约 4.8 eV 的禁带宽度和高临界击穿电场，是下一代高压功率器件的重要候选材料。NiO/β-Ga₂O₃ 异质结二极管通过引入 p 型 NiO 与 n 型 β-Ga₂O₃ 形成异质结，可实现较低反向漏电和较高阻断能力，在高可靠功率电子系统中具有应用潜力。然而，在空间辐射环境中，高能重离子会在器件内部产生缺陷、缺陷团簇和潜径迹，引起载流子补偿、漏电增加、导通退化甚至器件失效。现有研究多关注 β-Ga₂O₃ 肖特基器件或单一注量下的异质结器件退化行为，尚缺乏对 NiO/β-Ga₂O₃ 异质结二极管在宽注量范围内从电学退化到结构损伤失效全过程的系统认识。

主要内容

本研究系统探究了 1864 MeV Ta 离子辐照下 NiO/β-Ga₂O₃ 异质结二极管的注量依赖退化行为。实验采用 1 × 10⁸ 至 1 × 10¹¹ ions/cm² 的辐照注量范围，并结合 I–V、C–V、STEM 和 SEM 等测试手段分析器件电学特性与结构损伤的演化规律。结果表明，在低注量阶段，器件仍保持整流特性，但正向电流密度降低、比导通电阻增加、反向漏电流升高，C–V 结果显示 β-Ga₂O₃ 漂移层净载流子浓度随注量增加而下降，说明退化主要由载流子补偿主导。当注量升高至 1 × 10¹⁰ ions/cm² 附近时，器件整流特性发生崩塌，正常开启行为消失；结构表征进一步发现 β-Ga₂O₃ 漂移层中形成高密度纳米潜径，并在 NiO/β-Ga₂O₃ 结区附近出现约 2 μm 的界面翘曲。上述结果表明，NiO/β-Ga₂O₃ 异质结二极管在重离子辐照下存在由低注量载流子补偿向高注量结构损伤失效转变的两阶段退化机制。

创新点

•系统揭示了 NiO/β-Ga₂O₃ 异质结二极管在 1864 MeV Ta 离子辐照下的注量依赖退化规律。

•提出了从低注量载流子补偿到高注量结构损伤失效的两阶段退化机制。

•通过 C–V 测量定量提取 β-Ga₂O₃ 漂移层净载流子浓度变化，证明低注量退化主要受载流子补偿主导。

•结合 STEM 和 SEM 表征，观察到高注量下 β-Ga₂O₃ 漂移层中的纳米潜径以及 NiO/β-Ga₂O₃ 结区附近的界面翘曲。

•建立了重离子辐照下电学退化、载流子补偿、潜径迹累积和结构损伤之间的关联，为 β-Ga₂O₃ 异质结功率器件的抗辐照可靠性评估提供了参考。

总结

该研究表明，NiO/β-Ga₂O₃ 异质结二极管在 1864 MeV Ta 离子辐照下呈现明显的两阶段退化行为。低注量阶段，器件仍保持整流特性，退化主要由 β-Ga₂O₃ 漂移层中的载流子补偿主导，表现为净载流子浓度降低、正向导通能力下降和导通电阻增加；当注量升高至 1 × 10¹⁰ ions/cm² 附近时，器件整流特性崩塌，并伴随 β-Ga₂O₃ 漂移层中高密度纳米潜径迹和 NiO/β-Ga₂O₃ 结区附近约 2 μm 的界面翘曲。该工作揭示了重离子辐照下 NiO/β-Ga₂O₃ 异质结二极管从载流子补偿到结构损伤失效的退化机制，为 β-Ga₂O₃ 功率器件在空间辐射环境中的可靠性评估和抗辐照设计提供了重要参考。

项目支持

本研究得到广东省自然科学基金项目（No. 2023A1515011079）、国家重点实验室基金项目（No. JWS262800320）和国家自然科学基金项目（No. 12305299）的支持。

图 1. NiO/β-Ga₂O₃ 异质结二极管的结构。（a）器件截面结构示意图。（b）截面 HAADF–STEM 图像及 EDS 元素分布图。（c）具有 1 × 1 mm² 有源区的已制备器件光学显微照片。

图 2. SRIM 模拟得到的 Ta 离子在 β-Ga₂O₃ 中的入射轨迹和损伤分布。（a）深度–横向 Y 平面内的离子轨迹，显示其投影射程 R_p 约为 55.2 μm。（b）在 1 × 10^¹¹ cm^-² 注量下计算得到的总空位浓度深度分布。

图 3. NiO/β-Ga₂O₃ 异质结二极管在不同 Ta 重离子辐照注量前后的电学特性。（a）辐照前后器件的正向 I–V 特性；图中符号表示提取的比导通电阻 R_on,sp，对应右侧纵坐标。（b）器件在 200 V 以内测试得到的反向 I–V 特性。

图 4. NiO/β-Ga₂O₃ 异质结二极管在不同 Ta 重离子辐照注量前后的 C–V 与 1/C²–V 特性。（a）辐照前后器件的 C–V 和 1/C²–V 特性；实心符号表示 C–V 曲线，对应左侧纵坐标，空心符号表示 1/C²–V 曲线，对应右侧纵坐标。（b）由 C–V 测量提取的未辐照器件及辐照至 1 × 10⁹ ions/cm² 以内器件的净载流子浓度 Nnet 分布。

图 5. 1 × 10¹⁰ ions/cm² Ta 重离子辐照后 β-Ga₂O₃ 漂移层的截面 STEM 图像，显示重离子辐照诱导产生的潜径。（a）低倍图像。（b）高倍图像。

图 6. 1 × 10¹⁰ ions/cm² Ta 重离子辐照后代表性 NiO/β-Ga₂O₃ 异质结二极管的截面 SEM 图像，显示 NiO/β-Ga₂O₃ 结区附近出现界面翘曲，翘曲高度约为 2 μm。

DOI:

doi.org/10.1063/5.0332137