【国际论文】美国佛罗里达大学联合宾夕法尼亚州立大学丨透视 Ga₂O₃ 多晶体的辐射硬度对比特征

        由美国佛罗里达大学的研究团队在学术期刊 Journal of Vacuum Science & Technology A 发布了一篇名为 Perspective on comparative radiation hardness of Ga₂O₃ polymorphs（透视 Ga₂O₃ 多晶体的辐射硬度对比特征）的文章。该篇文章被期刊 Journal of Vacuum Science & Technology A 的编辑评选为精选文章。

        佛罗里达大学（UF）与宾夕法尼亚州立大学（PSU）的研究工作是在国防部国防威胁降低局资助的“电离辐射与物质相互作用大学研究联盟”（IIRM-URA）项目下开展的，项目编号为 HDTRA1-20-2-0002。研究人员感谢美国空军科学研究办公室的支持，协议编号为 FA9550-24-1-0341。俄罗斯国家研究型技术大学的研究工作部分得到了俄罗斯联邦科学与高等教育部的资助（协议编号 075-15-2022-1113）。俄罗斯科学院西伯利亚分院固体物理研究所的研究工作得到了国家任务的支持（编号 075-00296-24-01）。俄罗斯国家研究型技术大学和佛罗里达大学的作者感谢 Andrej Kuznetsov 就γ多晶型体进行的讨论。中佛罗里达大学的研究工作部分得到了美国国家科学基金会（NSF）（编号 ECCS2310285、ECCS2341747 和 ECCS 2427262）、美国以色列双边科学基金会（编号 2022056）和北约（编号 G6072；G6194）的支持。

        β-Ga₂O₃ 作为一种超宽禁带半导体材料，因其高击穿电场和可制造性，广泛用于高功率电子器件。然而，在辐射环境（如太空、核设施）下，材料的稳定性至关重要。Ga₂O₃ 具有不同的多晶型（polymorphs），包括三方（α）、单斜（β）、立方（γ）和正交（κ）相，它们的辐射耐受性存在显著差异。研究对比了这些不同相的 Ga₂O₃ 在质子、中子、α 粒子和 γ 射线辐照下的性能变化，并探讨其在辐射环境中的适用性。

        氧化镓（Ga₂O₃）存在多种多晶型态，包括三方（α）、单斜（β）、立方（γ）和斜方（κ）相，每种相都具有独特的结构和电子特性。其中，β-Ga₂O₃ 是热力学最稳定的相，因其能够生长出高质量的块状晶体，所以在高功率电子器件应用方面得到了广泛研究。然而，亚稳态相如 α、γ 和 κ-Ga₂O₃ 具有独特的性质，包括更宽的带隙或强极化和铁电特性，使其在特定应用中颇具吸引力。文章通过分析在质子、中子、α 粒子和 γ 射线等不同辐照条件下少数载流子扩散长度（L_D）和载流子去除率的变化，总结了这些多晶型态的辐射硬度。β-Ga₂O₃ 展现出高辐射耐受性，其 L_D 的降低与电子陷阱（E2*, E3 和 E4）和镓氧空位复合物（V_Ga-V_O）的引入相关。α-Ga₂O₃ 的辐射硬度略优于 κ-Ga₂O₃，二者在受辐照后均表现出极小的光致发光变化，这可能是由于缺陷迁移受到抑制。γ-Ga₂O₃ 是热力学稳定性最差的，但令人惊讶的是，它不易受到辐射损伤，并且在镓缺乏条件下会稳定下来。该研究强调了多晶型物特异性缺陷动力学、掺杂浓度以及非均匀电学特性在决定辐射硬度方面的作用。文中还讨论了辐射暴露对 NiO/Ga₂O₃ 异质结整流器的影响，这种整流器相对于肖特基整流器具有更优越的电学性能。NiO 的存在确实改变了对辐射响应的某些方面。与 Al₂O₃ 合金化进一步调节了 Ga₂O₃ 的带隙和缺陷行为，提供了潜在可调的辐射耐受性。这些发现为 Ga₂O₃ 多晶型物的辐射响应提供了关键见解，对其在航空航天和抗辐射功率电子器件中的应用具有重要意义。未来的研究应侧重于在相同的辐照条件下对多晶型物进行直接比较、缺陷识别以及退火策略的研究，以提高辐射耐受性。

        通过研究不同类型的辐照（质子、中子、α 粒子和 γ 射线）后少数载流子扩散长度的变化以及缺陷引入率，总结了不同多型体（α、β、κ 和 γ）的 Ga₂O₃ 的辐射硬度。β-Ga₂O₃ 是热力学最稳定的多型体，已得到广泛研究，发现高质量外延层中的 L_d 值在 0.15 至 0.6 微米之间，具体取决于缺陷浓度（E2*、E3 和 E2）。20 MeV 质子辐照使 L_d 减小，这与电子陷阱密度（E2*、E3 和 E4）的增加相关。1/Ld² 的损伤常数约为 3.6 × 10⁻¹³ mm⁻²/cm⁻²。中子辐照和 α 粒子辐照也使 L_d 减小，但损伤率有所不同。对 NiO/β-Ga₂O₃ 异质结的研究表明，其对辐照的响应与肖特基二极管不同。相比之下，α-Ga₂O₃ 的辐射耐受性高于 β 相，低能质子注入 α-Ga₂O₃ 也会降低 L_d 并在 MCL 光谱中诱导出新的缺陷带，而 κ-Ga₂O₃ 在受到辐照后 L_d 变化极小，不过其性质因不均匀性而变得复杂。它在 1.1 MeV 质子辐照后表现出较短的 L_d 值（约 70 nm），且变化极小。γ-Ga₂O₃ 作为亚稳态，也表现出独特的缺陷动力学。该研究突出了多晶型结构、掺杂、辐照类型以及由此导致的输运性质变化之间的复杂相互作用。

        文献提供了关于不同多晶型的 Ga₂O₃ 为何表现出不同程度的辐射硬度的若干见解。辐射硬度的差异可归因于多种因素，包括结构稳定性、缺陷动力学、掺杂浓度以及辐照引入的缺陷的性质。

        不同多晶型表现出不同程度的辐射硬度，其中 β-Ga₂O₃ 通常辐射耐受性最差，而 γ-Ga₂O₃ 对质子辐照的耐受性最强。在这些条件下，差异并不大，也不足以表明其他多晶型体在抗辐射应用中更具优势。虽然 γ-Ga₂O₃ 的抗损伤能力很强，但目前尚未成功掺杂，其器件应用也有限。

图 1. 四种主要多晶型 (a) α (b) β (c) γ 或 (d) γ 的晶体结构示意图及其晶格图像。

图 2. (a) NiO/Ga₂O₃ 整流器示意图；(b) 反向击穿电压随质子剂量和随后的退火温度的变化。

DOI：

doi.org/10.1116/6.0004444