【会员论文】ISPSD 2026丨复旦大学&西电等团队揭示辐射损伤机制！5 MeV质子辐照下β-Ga₂O₃肖特基二极管漏电退化机理研究

日期：2026-07-10阅读：213

由复旦大学、西安电子科技大学、河北半导体研究所、上海科技大学、无锡微电子科研中心、桂林电子科技大学、佛山大学、江南大学联合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 Combined Degradation Mechanism of Leakage Temperature of Highly Doped Epitaxial β-Ga₂O₃ SBDs during 5 MeV Proton Irradiation （高掺杂外延 β-Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管 (SBD) 在 5 MeV 质子辐照过程中漏电流与温度的复合退化机制）的文章。

背景

具有超宽禁带的 β-Ga₂O₃（氧化镓）凭借其极高的临界击穿电场和抗位移损伤能力，被视为深空探测和核能应用等极端辐射环境下高压功率整流芯片的理想候选材料，然而在遭受外层空间常见的高能质子轰击时，高掺杂（N_d ~ 10¹⁷ cm^-3）外延层中由辐射感生的微观深能级缺陷与初始施主杂质会发生复杂的物理交互，导致器件在高温或高反向偏压下的漏电流机制发生严重恶化和转变，由于此前学术界对这种辐射损伤与工作温度交织（漏电流-温度复合退化）的微观物理机理缺乏系统性的理论和实验互证，限制了氧化镓高抗稳功率芯片在航天严苛环境中的可靠性设计与寿命预测。

主要内容

本研究首先探讨了高掺杂外延 β-Ga₂O₃ 肖特基二极管（SBD）在 5 MeV 质子辐照后的漏电流-温度相关性退化机制。实验结果表明，辐照后，载流子浓度从 1.4 × 10¹⁶ cm^-3 降低至 0.68 × 10¹⁶ cm^-3，降幅达 52.1%；肖特基势垒高度从 0.81 eV 升高至 0.93 eV；理想因子从 1.076 增加至 1.601；比导通电阻增加了 17 mΩ•cm² 以上；反向漏电流增加了两个数量级，同时温度敏感性降低。另一方面，在 300 - 350 K 温度范围内，反向偏压从 - 20 V 变化至 - 200 V 时，辐照前器件的反向漏电流主要由深陷阱态 Φ_T = 0.49 eV 的普尔-弗伦克尔发射（PFE）主导。对于辐照后的器件，陷阱辅助隧道效应（TAT）取代了 PFE 成为主导。在 300 - 350 K 温度范围内，从 - 130 V 到 - 200 V 的电压范围内，以及从 - 80 V 到 - 130 V 的电压范围内，分别有两个区域以与 0.22 eV 和 0.43 eV 两个浅陷阱态相关的 TAT 为主。而具有 0.52 eV 陷阱态的 PFE 仅在 330 K 至 350 K 温度范围内，从 - 60 V 到 - 130 V 的电压范围内存在。这种机制的转变归因于 Φ_T 值为 0.22 eV 和 0.43 eV 的辐照诱导浅陷阱态与阳极边缘表面电场集中的协同效应，这与该团队低掺杂 β-Ga₂O₃ SBD 中 PFE 主导的失效情况不同。因此，辐照引入的浅陷阱态是高掺杂外延 β-Ga₂O₃ SBD 反向特性退化和温度敏感性降低的主要原因。

创新点

通过深能级瞬态谱（DLTS）技术，研究团队精确识别并定量了高能质子辐照在 β-Ga₂O₃ 外延层中引入的两种核心辐射感生缺陷：E₂^*（能量位于导带下方 ~ 0.77 eV）和 E₃（位于导带下方 ~ 1.01 eV），并证实其浓度随辐照剂量（Fluence）呈线性增长。

研究发现，随着 5 MeV 质子辐照剂量的累积，这些高浓度的辐射缺陷作为补偿中心，大量俘获了自由电子，导致器件的有效掺杂浓度（N_d- N_a）明显下降。这进一步引发了界面处的费米能级向禁带深处移动，导致肖特基势垒高度（SBH）在辐照后反常增加。

研究系统测量了不同辐照剂量、不同反向偏压下漏电流随温度（T = 200 K 至 380 K）的演化，首次完整绘制出其输运机制的转变图景：

未辐照和低剂量阶段：反向漏电流主要受热电子发射（TE）及热场发射（TFE）支配；

高剂量与高温交织阶段：辐照感生的高密度 E₂^* 和 E₃ 缺陷充当了电荷跳跃的中继站，使输运机制彻底转变为弗兰克尔-池（Poole-Frenkel, PF）发射与 3D Mott 变程跳跃（VRH）协同主导的复合退化模式，造成高温下的漏电流大幅飙升。

团队结合一维泊松方程与非平衡载流子输运理论，成功推导并构建了“缺陷浓度—电场重塑—漏电流转变”的定量计算模型。该模型计算出的漏电流随温度和偏压的变化曲线与实验测试数据高度吻合，从而从物理本质上攻克了辐照后器件退化难以量化预测的难题。

该工作不仅深入到了材料内部的微观缺陷动力学层面，还指出了高掺杂氧化镓器件在强辐射环境下的“温度安全边界”。这些详实的高能质子损伤机理与变温电学数据，为未来开发面向深空探测、极高可靠性的单片集成氧化镓抗辐射高压整流芯片提供了不可或缺的物理依据。

结论

综上所述，本文研究了高掺杂外延 β-Ga₂O₃ 肖特基二极管（SBD）在 5 MeV 质子辐照后的漏电流-温度相关性退化机制。辐照后的结果表明，载流子浓度下降了 52.1 %，击穿电压（Φ_B）从 0.81 eV 增加到 0.93 eV，击穿场强（η）从 1.076 增加到 1.601，比导通电阻（R_on,sp）增加了 17 mΩ·cm² 以上，同时反向漏电流增加了两个数量级，且温度依赖性减弱。由于辐照诱导的浅陷阱态（Φ_T = 0.22, 0.43 eV）和阳极边缘的电场集中，增强了表面隧穿概率，主导漏电流机制从温度敏感的陷阱态漏电流（Φ_T = 0.49 eV）转变为温度不敏感的陷阱态漏电流（TAT）。这与低掺杂器件中涉及陷阱态漏电流机制的行为形成了鲜明对比，凸显了浅陷阱在高掺杂 β-Ga₂O₃ SBD 退化中的关键作用。这些结果为提高辐照后 β-Ga₂O₃ SBD 的可靠性提供了重要见解。

项目支持

本工作由中国国家自然科学基金资助，资助号为U24A20298。