【会员论文】西安电子科技大学郝跃院士团队张进成教授、赵胜雷教授系统揭示了β-Ga₂O₃肖特基势垒二极管单粒子烧毁机制

        本研究部分得到了国家杰出青年科学基金（项目编号：62525402）、国家自然科学基金（项目编号：62404164）以及国家重点研发计划（项目编号：2022YFB3604203 和 2021YFB3601102）的资助。

        β-Ga₂O₃ 由于其超宽带隙、高击穿场强以及良好的固有抗辐射能力，成为高功率器件应用的有前景半导体材料。基于 β-Ga₂O₃ 的肖特基势垒二极管（SBD）在航空航天领域尤其具有吸引力，但仍容易受到高能重离子引发的单粒子效应（SEE），如单粒子击穿（SEB）的影响。以往对 SiC 和 GaN 等相关材料的研究表明，SEB 主要由局部过热和缺陷诱导的导电通路引起。然而，β-Ga₂O₃ SBD 中的辐射敏感区域及具体击穿机制尚未被完全阐明。因此，研究 β-Ga₂O₃ SBD 的 SEB 特性、识别辐射敏感区域并揭示其潜在失效机制，对于指导未来 β-Ga₂O₃ 器件的抗辐射优化具有重要意义。

        在本工作中，系统研究了 β-Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管（SBD）的单粒子烧毁（SEB）机制。辐照实验采用了 Kr 离子，其线性能量转移率（LET）高达 37.9 MeV/(mg/cm²)。在辐照过程中，SBD 在施加偏压 300 V 和 500 V 时发生击穿，失效点均位于阳极边缘。TCAD 仿真结果表明，阳极外区域对辐照不敏感，而阳极区域的离子入射会导致电场、电流密度和温度显著增加。此外，与阳极中心相比，阳极边缘的这些参数增幅更为明显。因此，阳极边缘被确定为对辐照最敏感的区域，这与实验结果一致。基于实验与仿真结果，提出了 SEB 机制：重离子入射会产生大量电子–空穴对，这些载流子随后在阳极边缘的峰值电场下被加速。加速过程会触发碰撞电离，持续生成额外的电子–空穴对，导致阳极边缘出现峰值电流。辐照引起的电流会产生显著的焦耳热，当局部晶格温度超过 β-Ga₂O₃ 材料的熔点时，会逐渐引发热损伤，从而触发 SEB。本文分析了 β-Ga₂O₃ SBD 的辐射敏感区域及 SEB 机制，为未来重离子辐照加固研究提供了基础。

        本研究系统揭示了 β-Ga₂O₃ 肖特基二极管在高能离子辐照下的单粒子烧毁机理。结果表明，器件失效主要起源于阳极边缘区域的电场集中，当高能离子入射产生大量电子-空穴对后，局部载流子发生雪崩倍增效应，使电流密度和电场进一步增强，进而引发剧烈的瞬态发热。由于 β-Ga₂O₃ 材料本身热导率较低，局部热量无法及时扩散，导致温度持续上升并形成热失控，最终造成不可逆的烧毁损伤。仿真与实验结果一致地验证了电场集中和热积累的耦合是导致单粒子烧毁的根本原因。此外，研究发现，采用场板和优化阳极边缘结构的设计可有效均匀化电场分布、降低局部峰值温度，从而显著提升器件的抗单粒子烧毁能力。该研究为 β-Ga₂O₃ 功率器件在辐照环境下的可靠性设计提供了关键机理支撑和结构优化方向。

图 1. (a) β-Ga₂O₃ SBD 结构示意图；(b) β-Ga₂O₃ SBD 在辐照下的实时电流监测；(c) 初始与烧毁 β-Ga₂O₃ SBD 在 300 和 500 V 偏压下的正向 I–V 特性；(d) 初始与烧毁 β-Ga₂O₃ SBD 在 300 和 500 V 偏压下的反向 I–V 特性。（红色曲线和蓝色曲线分别对应阳极半径 R 为 500 μm 和 700 μm 的器件）。

图 2. SEB β-Ga₂O₃ SBD 的热失效分析结果，偏压分别为 (a) 300 V 和 (b) 500 V，阳极半径 (R) 分别为 700 μm 和 500 μm。（发光点表示烧毁点位置）(c) OBIRCH 失效分析结果；(d) 偏压 500 V 下 SEB β-Ga₂O₃ SBD 的 SEM 图像（烧毁位置形成圆形开口）。

图 3. (a) 从位置 1 到位置 5 的失效区域 FIB 切割横截面；(b) 和 (c) FIB 过程中各位置（从 ‹ 到 ›）的详细横截面图像；(d) 烧毁点放大图。

图 4. (a) 和 (b) 失效区域的 TEM 图像；(c) 通过 TEM-EDX 映射得到的烧毁点元素分布，包括碳、镓、氧和铂。

图 5. (a) 模拟中选取的三个不同入射点，包括阳极外区域 (1)、阳极中心 (2) 和阳极边缘 (3)；(b) 三个入射点的模拟峰值温度随时间变化曲线。

图 6. 当重离子沿阳极边缘（入射位置 3）入射时，模拟得到的 (a) 晶格温度、(b) 电场强度及 (c) 电流密度随时间的变化情况。

图 7. 当重离子沿阳极中心（入射位置 2）入射时，模拟得到的 (a) 晶格温度、(b) 电场强度及 (c) 电流密度随时间的变化情况。

图 8. 当重离子沿阳极外侧（入射位置 1）入射时，模拟得到的 (a) 晶格温度、(b) 电场强度及 (c) 电流密度随时间的变化情况。

DOI：

doi.org/10.1063/5.0295377