【会员论文】MTP丨厦门大学杨伟锋教授团队实现耐X射线Ga₂O₃ MIS肖特基二极管新突破

        空间航天、核设施等强电离辐射场景对功率半导体器件同时提出高耐压与抗辐照双重需求，β-Ga₂O₃ 凭借 4.8 eV 超宽禁带、超高击穿电场，是极端环境电力电子的核心候选材料。传统 Ni/β-Ga₂O₃ 金属肖特基器件无缓冲绝缘界面，X 射线辐照会大量诱导界面陷阱，造成反向漏电流激增、击穿电压大幅衰减，无法长期稳定工作。稀土 Gd 具备高原子序数，Gd₂O₃ 介质兼具高介电常数与 X 射线吸收优势，但尚未系统研究其作为界面层同时提升耐压与抗辐照的协同机理，缺少辐照前后界面陷阱、载流子输运、带间隧穿的定量对比研究，也无可兼顾低导通电阻、千伏级耐压与强 X 射线耐受性的完整 MIS 二极管制备方案，是辐射型氧化镓功率器件领域重要研究空白。

        空间、核设施等强辐射工况下工作的电力电子器件需同时具备高击穿电压与抗辐照性能。氧化镓（Ga₂O₃）拥有超宽禁带与高临界击穿电场，但 X 射线会诱发电荷俘获与缺陷态，劣化其电学稳定性。该团队引入超薄稀土 Gd₂O₃ 界面层，制备耐 X 射线 Ni/Gd₂O₃/β-Ga₂O₃ 金属-绝缘体-半导体（MIS）肖特基势垒二极管（SBD）。该界面调控方案将传统 Ni/β-Ga₂O₃ 肖特基二极管 290 V 的击穿电压提升至 MIS 器件的 1001 V，同时维持 2.6 mΩ·cm² 的低比导通电阻。值得注意的是，经 X 射线辐照后，Gd₂O₃ 界面型 MIS 二极管正向特性保持稳定，-100 V 下反向漏电流抑制三个数量级，而传统器件性能明显退化。变频电导测试证明漏电流抑制来源于界面陷阱密度降低，并非漂移层载流子补偿。变温电流-电压测试证实普尔-弗伦克尔发射是主要漏电流输运机制；辐照后陷阱发射势垒由 0.73 eV 提升至 1.33 eV，陷阱辅助载流子发射难度上升，进一步抑制反向漏电。高原子序数稀土 Gd₂O₃ 界面层可改变界面局域 X 射线能量沉积分布，解释界面陷阱对漏电流贡献减弱的现象。该研究证明稀土氧化物界面工程是面向极端工况、同步实现高耐压与 X 射线耐受性的可靠技术路径。

        ①提出超薄 Gd₂O₃ 稀土界面层调控方案，制备抗辐照 Ni/Gd₂O₃/β-Ga₂O₃ MIS 肖特基二极管。

        ②器件击穿电压由 290 V 提升至 1001 V，同时维持 2.6 mΩ·cm² 低比导通电阻。

        ③X 射线辐照后器件正向特性无明显劣化，-100 V 反向漏电流抑制三个数量级。

        ④阐明双重抑制机理：高原子序数 Gd₂O₃ 调控 X 射线局域能量沉积，同步降低界面陷阱密度、提升普尔-弗伦克尔发射势垒。

        综上，该团队提出基于超薄稀土 Gd₂O₃ 界面层的界面调控方案，有效提升了 Ni/Gd₂O₃/β-Ga₂O₃ MIS 肖特基二极管的耐压能力，并大幅提升器件 X 射线耐受性能。辐照后该 MIS 器件开启电压、比导通电阻等正向参数几乎无变化，击穿电压仅小幅衰减；与传统 Ni/β-Ga₂O₃ 器件辐后漏电激增相反，本器件反向漏电流显著降低。变频电导与电容-电压测试证明，漏电流抑制源于近界面陷阱态响应改变，而非漂移层整体载流子补偿效应。变温电学测试证实高耗尽区下陷阱辅助的普尔-弗伦克尔发射是漏电流的主导输运机制；辐照后陷阱发射势垒升高，载流子更难通过陷阱发射形成漏电，进一步压低反向电流。此外，高原子序数 Gd₂O₃ 界面层可改变界面区域 X 射线能量局域沉积分布，这与界面陷阱对漏电流贡献减弱的实验规律相吻合。该工作证明稀土氧化物界面调控是同步提升 β-Ga₂O₃ 肖特基二极管耐压与 X 射线抗辐照能力的有效手段，适用于极端环境功率电子器件。

        本研究得到国家自然科学基金（项目编号 62171396）、深圳市科技计划（项目编号 JCYJ20240813145617023）资助。