【国际论文】俄罗斯圣彼得堡彼得大帝理工大学：离子辐照下 Ga₂O₃ 多形体中的载流子去除

        由俄罗斯圣彼得堡彼得大帝理工大学、阿尔费罗夫大学、俄罗斯 ELAR 科研生产企业、挪威奥斯陆大学的研究团队在学术期刊 Vacuum 发布了一篇名为 Carrier removal in Ga₂O₃ polymorphs under ion irradiation（离子辐照下 Ga₂O₃ 多形体中的载流子去除）的文章。

        空间核反应堆、高能加速器等极端辐射环境亟需耐辐射电子器件，超宽禁带 Ga₂O₃ 凭借 4.6–5.3 eV 可调禁带宽度、理论优异抗辐照性能成为辐射耐受半导体核心候选材料，在星载功率开关、辐射探测芯片领域具备不可替代应用价值。离子辐照会在半导体内部引入大量本征缺陷，引发载流子浓度衰减，造成器件漏电、击穿电压退化，是制约 Ga₂O₃ 辐射工况可靠性的核心痛点。现有辐照相关研究大多聚焦单斜 β-Ga₂O₃ ，对亚稳态 α-Ga₂O₃ 辐照电学演化规律认知不足；不同离子、辐照温区下两类 Ga₂O₃ 的载流子衰减机理缺少统一定量模型，多数机理仅定性描述缺陷积累效应，无法定量预测薄膜方块电阻变化；同时缺乏一套可同时适配 α、β 两相的通用理论框架，难以支撑辐照隔离工艺精准调控，无法指导耐辐射 Ga₂O₃ 器件与离子注入隔离工艺开发，该方向存在明确研究空白。

        辐照引发的载流子去除是限制材料在抗辐照电子器件中应用的关键问题。另一方面，离子束辐照可选择性形成高阻区域，可用于电子器件隔离工艺。本文研究兆电子伏轻离子辐照对 α-Ga₂O₃ 薄膜电导率演化的影响。结果表明，方块电阻随辐照剂量变化呈现阈值型变化规律，该现象与自由载流子浓度下降、迁移率降低相关。基于辐照诱导形成 “缺陷-浅施主复合体” 建立的定量模型可完美解释该实验规律；为验证模型有效性与普适性，将该模型拓展至不同离子辐照下的 β-Ga₂O₃ 体系并取得良好拟合效果。本研究成果有助于理解各类 Ga₂O₃ 多形体的辐照演化机理，为优化 Ga₂O₃ 器件离子注入工艺、开发抗辐照电子器件奠定理论基础。

        系统研究 0.35 MeV 氦离子辐照下 α-Ga₂O₃ 薄膜的电导率退化规律。

        基于缺陷-浅施主复合体生成机理，提出可描述方块电阻阈值式上升规律的通用定量模型。

        利用不同温度、碳/硅离子辐照的 β-Ga₂O₃ 样品验证该模型的普适性。

        阐明造成 Ga₂O₃ 多形体载流子去除的主要补偿缺陷为镓空位复合体。

        综上，本文研究了兆电子伏轻离子辐照下 α-Ga₂O₃ 薄膜的电导率演化规律。实验观测到方块电阻随离子剂量呈现阈值型变化，该变化源于自由载流子浓度降低与载流子迁移率下降；低剂量区间载流子去除速率最高，并随辐照剂量提升持续衰减。研究证实，基于辐照诱导 “缺陷-浅施主复合体” 生成的定量模型可完美复现 α-Ga₂O₃ 辐照后的载流子衰减趋势。同时为验证模型通用性，将该模型用于解析离子辐照 β-Ga₂O₃ 的电学退化数据。该研究结果可深入揭示各类 Ga₂O₃ 多形体的辐照作用机理，为优化 Ga₂O₃ 器件离子注入工艺、研制抗辐照电子器件提供理论支撑。

图 1. (a) 样品结构示意图；(b) SRIM 软件仿真 0.35 MeV 氦离子辐照 α-Ga₂O₃ 产生的点空位缺陷分布；(c) α-Ga₂O₃ 薄膜载流子浓度（左坐标轴）与载流子去除速率（右坐标轴）随辐照剂量变化曲线；(d) α-Ga₂O₃ 薄膜霍尔迁移率随辐照剂量变化曲线。

图 2. α-Ga₂O₃ 薄膜方块电阻随辐照剂量变化曲线，实心点为实验测试数据，虚线为模型拟合结果（详见正文）。

图 3. 1.5 MeV 碳离子、3.0 MeV 硅离子辐照 β-Ga₂O₃ 薄膜：(a) 方块电阻随离子剂量变化曲线；(b) 方块随镓原子位移损伤值 dpa_Ga 变化曲线；(a) 中虚线为模型拟合，实验数据引自参考文献 [21,22]；(c) 碳离子辐照下 SRIM 仿真 β-Ga₂O₃ 镓空位、氧空位分布；(d) 硅离子辐照下 SRIM 仿真 β-Ga₂O₃ 镓空位、氧空位分布；两幅图浅灰色区域代表导电 β-Ga₂O₃ 薄膜。

DOI：

doi.org/10.1016/j.vacuum.2026.115642