【会员论文】复旦大学---与质子辐照诱导缺陷相关的β-Ga₂O₃肖特基二极管的退化机制

        本研究部分由国家自然科学基金委员会（U24A20298）和安徽省智能微系统工程技术研究中心开放基金项目（ETRCIM202404）资助。

        β-氧化镓（β-Ga₂O₃）作为一种超宽禁带半导体，因其高击穿场强和优异的材料特性，在电力电子领域备受关注，特别是在航空航天等需要承受严苛辐射环境的应用中。在功率器件中肖特基势垒二极管是作为最基本和重要的器件之一。空间环境中的高能粒子会对半导体器件造成损伤，引入晶格缺陷，导致器件性能退化，影响其长期可靠性。因此，研究质子辐照对 β-Ga₂O₃ SBDs 性能的影响，并深入理解其背后的物理退化机制，对于评估和提升 Ga₂O₃ 器件在空间等辐射环境下的可靠性至关重要。目前，关于辐照如何在微观层面（通过引入何种缺陷、激活何种泄漏机制）导致 Ga₂O₃ 器件宏观性能退化的研究尚不充分。

        本文重点研究了 5 MeV 质子辐照对 β-Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管（SBD）电气性能的影响，旨在阐明与缺陷和能带相关的退化机制及行为。当 β-Ga₂O₃ SBDs 受到 1×10¹³ n/cm² 的辐照剂量时，会发生若干变化。β-Ga₂O₃ SBDs 的正向电流密度下降，势垒高度增加 0.2 eV，理想因子从 1.056 恶化至 1.092。根据循环伏安（CV）特性，外延层中的载流子浓度显著下降，从 1.05×10¹⁶ cm^-3 降至 0.32×10¹⁶ cm^-3。这种减少归因于漂移层中的陷阱态，导致势垒高度增加。此外，温度依赖性 IV 测量表明，β-Ga₂O₃ SBDs 在质子辐照后反向漏电流由 Poole-Frenkel 发射（PFE）机制引起。DLTS 测量进一步揭示，质子辐照后，陷阱态 E_c-0.82 eV 分裂为 E_c-0.72 eV、E_c-0.81 eV 和 E_c-1.04 eV。相对较浅的陷阱态 E_c-0.72 eV，其捕获截面为 2.25×10^-12 cm^-2，对 PFE 机制有贡献并主导了陷阱辅助漏电流。最终，陷阱激活能的降低（从 0.82 eV 到 0.72 eV）与肖特基势垒高度的增大（从 0.90 eV 到 1.18 eV）共同导致 β-Ga₂O₃ SBDs 中正向导通和反向漏电流的退化。

        本文研究了质子辐照对 β-Ga₂O₃ SBD 器件电气性能的影响，并提出了反向漏电流辐照退化模型。质子辐照诱导的体陷阱是电气性能退化的主要原因。此外，通过温度依赖性 I-V 测量，分析了反向漏电流变化的机制。研究表明，辐照后反向漏电流的变化归因于 Poole-Frenkel 发射（PFE）。此外，通过 DLTS 测量在辐照后检测到激活能分别为 E_c-0.72 eV、E_c-0.81 eV 和 E_c-1.04 eV 的体陷阱。PFE 可归因于相对较浅的深能级陷阱（E_c-E_t=0.72 eV）。较低的陷阱激活能（从 0.82 eV 降至 0.72 eV）和较高的势垒高度（从 0.90 eV 升至1.18 eV）导致陷阱辅助漏电流增强和热电效应（TE）抑制，从而导致反向漏电流性能显著退化。本研究为提升 β-Ga₂O₃ SBD 的可靠性和性能提供了关键见解，并为未来器件设计提供了宝贵指导。

图1. (a) 封装和芯片 (b) β-Ga₂O₃ 反向偏置二极管（SBD）的示意性横截面图。

图2. (a) 300 K时和 (b) 350 K时，正向I-V特性曲线（线性坐标和半对数坐标）。