【国际论文】美国阿贡国家实验室：20 MeV质子辐照对200μm n型氧化镓肖特基二极管的影响

        由美国阿贡国家实验室的研究团队在学术会议 NAECON 2026-IEEE National Aerospace and Electronics Conference 发布了一篇名为 20 MeV Proton Irradiation of 200μm n-type Gallium Oxide Schottky Diodes（20 MeV 质子辐照对 200 μm n 型氧化镓肖特基二极管的影响）的文章。

        随着航天、航空电子及空间电力系统的发展，电子器件长期暴露于质子、重离子、电子和中子等宇宙辐射环境中，辐射可能引起半导体材料缺陷和器件电学性能退化，因此新型功率半导体在应用于航天和空间领域之前，需要系统评估其辐射耐受能力。β-Ga₂O₃(GaO) 具有宽禁带和高击穿电压等特点，在提高功率电子系统效率、降低器件体积方面具有潜力，同时其材料特性也使其成为具有吸引力的抗辐射功率器件候选材料。此前针对 GaO 的辐射可靠性已经开展了一些中子和质子辐照研究，但多数研究主要是在辐照完成后再对材料和器件进行电学性能分析，对于不同辐照剂量下、器件在实际加偏工作状态中的原位响应仍缺乏系统研究。因此，有必要进一步研究质子辐照过程中外加偏压对 GaO 器件性能和失效行为的影响，并明确器件在累积辐照剂量增加过程中的性能变化规律。另一方面，质子束流实验需要在高真空环境下进行，每次更换样品都需要打开真空腔体、重新装载器件并再次抽真空，整个过程可能耗时1小时以上，在有限的加速器束流实验时间内会严重限制可测试器件数量和实验数据量。为提高辐照实验效率，该研究设计了一种能够在真空腔体内同时安装多个器件、实现外部加偏和电流监测，并通过机械移动依次将不同器件置于质子束位置的定制化测试夹具，从而避免频繁进行抽真空操作。在此基础上，研究选取 200 μm 厚的 n 型 GaO 肖特基二极管，在 0 V、2 V 和 −100 V 三种偏压条件下进行 20 MeV 质子辐照，并采用分阶段累积辐照的方式，在每个阶段之间进行电压扫描，以实时监测器件状态和不同剂量下的电学变化，最终评估 GaO 肖特基二极管在质子辐射环境中的可靠性及潜在失效机制，为其在航天和空间电力电子领域的应用提供实验依据。

        在阿贡国家实验室的ATLAS光束线上，将 8 个 n 型氧化镓（GaO）肖特基二极管暴露于 100 krad 的 20 MeV 质子辐射中。为实现对真空腔内多个串联器件施加偏压并进行辐照，开发了一种专用夹具。器件的偏压分别设定为 0 V、2 V 和 -100 V。辐照过程分为 8 个阶段，每个阶段之间进行电压扫描。观察到一个偏压为 -100 V 的器件在辐照过程中失效。另一个器件因与前者位于同一封装内而受损。在辐照后观察中，另外三台器件的漏电流比其规格值增加了 1 到 2 个数量级。施加 2 V 偏压的器件与施加 0 V 偏压的器件之间未观察到差异。

        ①设计定制化真空测试夹具，可同时安装多个 GaO 肖特基二极管，并实现辐照过程中的外加偏压和电流监测，提高有限束流实验时间内的测试效率。

        ②8 个 200 μm 厚、10 μm 外延层的 n 型 GaO 肖特基二极管累计接受约 100 krad 辐照，并分别施加 0 V、2 V 和 −100 V 偏压。

        ③−100 V 偏压下 1 个器件在辐照过程中直接失效，同封装的另一个器件随后发生严重退化；辐照后 117 天测试发现，另有 3 个器件的 −100 V 反向漏电流增加约 2~3 个数量级。

        为了缩短器件的周转时间，使用定制夹具对八个 GaO 肖特基二极管进行了质子束辐照实验。在多种偏压水平下，对器件进行了 100 krad 的质子辐射。在原位监测过程中，观察到一个偏压为 -100 V 的器件发生失效。同一封装中的相邻器件在实验结束后 117 天的辐照后测试中表现出性能退化并完全失效。在辐照后测试中，有三只器件的漏电流增加了两到三个数量级。其余三只器件则基本未发生变化。研究中发现了一些挑战，这些挑战使得对这些器件的失效分析变得更加困难。必须对这些器件进行进一步分析，以确定其失效机制以及质子辐射对这些 GaO 器件的确切影响。应开展进一步的实验，以提供更多数据，从而识别对器件性能的任何剂量依赖性效应，特别是在阻断区向击穿过渡的区域。

图8. 所有器件的辐照后电流曲线（采用绝对值对数刻度）。在反向偏置下，各器件的电流变化幅度较大。

        美国阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory, ANL）是美国能源部（DOE）旗下的国家实验室之一，也是全球领先的材料科学、先进制造和微电子研究平台。依托先进光源（APS）、纳米材料中心（CNM）等国家级科研设施，阿贡长期开展新型半导体材料、纳米结构、器件制造与先进表征研究，为下一代信息技术和能源技术提供基础支撑。

        在半导体领域，阿贡重点关注高性能电子材料、先进微电子器件以及材料—器件协同设计等方向，具备从材料合成、薄膜制备、纳米加工到原子尺度表征的完整科研能力。其研究覆盖宽禁带半导体、量子材料、先进封装和低功耗微电子等前沿领域，并通过开放共享的用户平台与高校、企业开展合作，加速实验室成果向技术应用转化。