【国内论文】MTP丨宁波材料技术与工程研究所：具有空间局限泄漏失效特性与超高单粒子烧毁电压的耐辐射金刚石/ε-Ga₂O₃异质结二极管

        由宁波材料技术与工程研究所的研究团队在学术期刊Materials Today Physics发布了一篇名为 Irradiation-Tolerant Diamond/ε-Ga₂O₃ Heterojunction Diode with Spatially Confined Leakage Failure and Ultrahigh Single-Event Burnout Voltage（具有空间局限泄漏失效特性与超高单粒子烧毁电压的耐辐射金刚石/ε-Ga₂O₃ 异质结二极管）的文章。

        在航天等强辐照环境中，高能粒子会在半导体器件中诱发单粒子效应（SEE），导致漏电、击穿甚至灾难性失效，因此器件的辐照容限成为高可靠功率电子的关键指标。超宽禁带半导体（UWBG）如 Ga₂O₃ 和金刚石因其超大禁带、高击穿场强、强原子键和高位移阈能，被认为是构建高功率、抗辐照器件的理想材料组合。尽管 n 型 Ga₂O₃ 与 p 型金刚石的异质结二极管已展现出高击穿电压和优异热稳定性，但现有宽禁带器件在重离子辐照下仍普遍面临严重泄漏电流和 SEB 失效，SEB 耐受电压多低于 600 V；同时，金刚石功率器件的重离子辐照实验仍十分有限。基于此，亟需系统评估金刚石/Ga₂O₃ 异质结结构在极端辐照条件下的稳健性，以验证其在高能粒子环境中实现高电压阻断与失效免疫的潜力。

        为航天应用开发具备足够抗辐照能力的千伏级功率器件一直备受期待。然而，尽管已有大量研究致力于筛选多种宽禁带半导体和优化复杂器件结构，相关进展仍然十分有限。本文中，提出采用金刚石/ε-Ga₂O₃ pn 异质结以实现稳健的辐照耐受性，在线性能量传递（LET）为 82.1 MeV·cm²/mg 的重离子辐照条件下展现出超过 1200 V 的超高单粒子烧毁（SEB）耐受电压。在最严苛的辐照实验后，该异质结二极管仅表现出轻微的漏电增加，而非其他器件中常见的灾难性击穿。显微结构分析显示，这种行为源于高度局域化的烧毁区域，其特征为 ε-Ga₂O₃ 薄膜的局部移除以及阴极边缘的相变。这些结果表明，基于超宽禁带半导体的异质结设计在辐照功率应用中具有巨大的潜力。

        本研究展示了一种金刚石/ε-Ga₂O₃ 异质结二极管，在 LET 高达 82.1 MeV·cm²/mg 的重离子严苛辐照下，依然表现出卓越的千伏级 VSEB 和极小的局域辐照损伤。受辐照后的 HJD 仅出现轻微漏电增加，整体性能保持稳定，成功避免了大多数二极管中普遍出现的灾难性失效。得益于超宽禁带半导体对辐照诱导缺陷形成的内禀抗性，采用轻掺杂 p 型金刚石衬底与中等掺杂 n 型 ε-Ga₂O₃ 薄膜的器件结构，可通过调控电场拥挤效应与瞬态热积累（通常会加剧单粒子烧毁）显著提升器件的辐照容限。微观结构分析结合 TCAD 模拟证实，烧毁区域高度局域，位于阴极边缘附近，其特征为 ε-Ga₂O₃ 层的局部剥离及轻微相变。这些结果强调了超宽禁带异质结构在实现高电压、抗辐照功率电子器件方面的潜力，尤其适用于关键航天应用场景。

        本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：62204244）、等离子体物理国家重点实验室基金（6142A04240204）、宁波甬江人才计划（2021A-046-C）的资助。作者同时感谢哈尔滨工业大学空间环境地面模拟装置（SESRI）提供的重离子辐照实验支持。

图 1. (a) 金刚石/ε-Ga₂O₃ 异质结二极管（HJD）结构示意图。(b) HJD 的低倍截面 STEM 图像。(c) 封装后器件的光学显微照片，(d) 键合点的光学显微照片，电极半径为 75 μm（随机选取为 DUT 1 和 DUT 2）。(e) DUT 1 和 DUT 2 的垂直电流密度与比导通电阻（R_on,sp）-电压特性，表现出器件性能的一致性。(f) DUT 1 和 DUT 2 在辐照前的反向 I–V 特性。

图 2. (a) 金刚石/ε-Ga₂O₃ HJD 在不同反向偏压下进行重离子辐照测试的示意图。DUT 在 LET 为 (b) 8 和 (c) 82.1 MeV·cm²/mg 条件下，不同反向偏压下的电流–时间特性。(d) Ta 离子辐照实验前后，在 0 V 至 –100 V 偏压下的反向漏电流变化。(e) 不同辐照条件下，代表性 GaN、SiC 与 Ga₂O₃ 基功率二极管的 V_SEB 随 LET 的性能对比。

图 3. (a) DUT 2 的 SEM 图像，显示了重离子辐照测试后典型的离子诱导失效区域。伪黄色区域标示了覆盖在 ε-Ga₂O₃ 薄膜表面的 Ti/Au 电极。(b) (a) 中主要失效区域 1 的放大图。(c) 沿 (b) 中标示线获取的截面 EDS 图像，(d) 对应的 STEM 图像。(e)-(f) 分别来自 (d) 中区域 1、2 和 3 的代表性三类失效特征的截面 TEM 图像。(g) 对应虚线框位置的高分辨率 TEM 图像，以及 (h) 金刚石、(i) ε-Ga₂O₃ 和 (j) 相变后的 β-Ga₂O₃ 区域的 FFT 图样插图。

图 4. (a) 在 –1200 V 阳极偏压下，Ta 离子入射后 10-11 s 时 金刚石/ε-Ga₂O₃ HJD 的电场分布模拟结果；(b) 同一时间尺度下的温度分布。阴极/ε-Ga₂O₃ 交界处（点 1）以及其下方的 金刚石/ε-Ga₂O₃ 位置（点 2）被识别为两个典型的关键区域，分别承受电场集中和瞬态温升。(c) (a) 中点 1 和点 2 在完整离子入射周期内的时间分辨电场强度变化。(d) 器件内部在整个入射过程中最大温度与阴极电流的时间演化曲线。

DOI：

doi.org/10.1016/j.mtphys.2025.101942