【国际论文】ADV SCI丨韩国航空大学：利用单电压脉冲表征对 β-Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管中陷阱动力学的直接探测

        由韩国航空大学的研究团队在学术期刊 Advanced Science 发布了一篇名为 Direct Probing of Trap Dynamics in β-Ga₂O₃ Schottky Barrier Diodes Using Single-Voltage-Pulse Characterization（利用单电压脉冲表征对 β-Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管中陷阱动力学的直接探测）的文章。

        氧化镓（β-Ga₂O₃）凭借其超宽带隙、高击穿场强和良好的热稳定性，被视为下一代功率电子器件的极具前景的半导体材料。尽管具有优异的物理特性，但 β-Ga₂O₃ 器件的性能受到陷阱态的强烈限制，这些陷阱会捕捉载流子，导致电流退化、阈值电压漂移和开关速度变慢。传统的陷阱表征方法通常需要复杂的温度扫描或多频率测试，且难以直接观察到实时脉冲操作下的载流子捕获动力学。开发一种直接、高效的表征方法，在实际工作条件下原位探测 β-Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管中的陷阱动态特性。

        氧化镓（β-Ga₂O₃）作为具有广阔应用前景的超宽禁带半导体材料，在下一代电力电子器件领域展现出巨大潜力，但其性能受限于捕获载流子的陷阱态。本研究提出一种单脉冲表征方法，可直接探测 β-Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管（SBD）中的陷阱动力学。研究系统性地考察了在不同脉冲宽度、上升/下降时间、振幅及温度条件下的瞬态电流响应。结果表明：中性区陷阱会逐步参与电子捕获，导致恒压阶段电流衰减；同时，陷阱响应的延迟效应造成了上升/下降瞬态过程的不对称性。通过电流衰减分析测得陷阱密度≈5×10¹⁴ cm⁻²，代表肖特基结附近总陷阱密度。指数拟合得出正向电压 2 V 时载流子捕获时间常数≈30μs，与陷阱诱导电流衰减起始时间吻合。温度依赖性测量表明，载流子捕获在高温下受到抑制，由此得出陷阱活化能约为 0.16 eV。这些发现证明单脉冲法为评估 β-Ga₂O₃ 器件实际工作条件下的陷阱态提供了简便有效的途径。

        •不同于传统的频域或温域测试，该方法提供了陷阱动态的直接时域观察，能实时反映载流子的捕获过程。

        •通过分析电流衰减，精确计算出陷阱密度约为 5×10¹⁴ cm⁻²。

        •测得在 2 V 前向偏压下的载流子捕获时间常数约为 30µs ，这与陷阱诱导的电流退化起始时间一致。

        •明确指出了中性区陷阱对瞬态电流的贡献，并解释了斜坡偏置下的电流滞后现象。

        本研究提出一种单脉冲表征方法，可直接探测 β-Ga₂O₃ 反型双极晶体管中的陷阱动力学。通过分析不同脉冲宽度、上升/下降时间、振幅及温度条件下的瞬态电流响应，我们系统性地提取了陷阱参数，并阐明了其对载流子传输的影响。研究发现中性区陷阱会逐步参与电子捕获，导致恒压阶段电流衰减。这种延迟响应机制亦解释了电压上升/下降过程中的不对称行为。测得的困载流子密度 ≈ 5×10¹⁴ cm⁻²，代表肖特基势垒结附近区域的总陷阱密度。此外，在 2 V 正向电压下测得载流子捕获时间常数 ≈ 30 μs。温度依赖性测量证实高温下载流子捕获受抑制，并获得陷阱活化能 ≈ 0.16 eV，与既往报道值一致。总体而言，该单脉冲技术为在器件工作相关条件下评估陷阱态提供了简明有效的途径，从而深化了对 β-Ga₂O₃ 器件中缺陷相关效应的理解。

图1. 单电压脉冲作用下 SBD 的瞬态电流响应。a) β-Ga₂O₃ SBD 结构示意截面图及制备圆形器件正面光学显微镜图像，有效器件面积为 8.04 × 10⁻⁴ cm²（比例尺：100 µm）。b) 电压脉冲参数：幅值 2 V，上升时间 (T_r) 0.5 ms，脉宽 (T_w) 0.5 ms，下降时间 (T_f) 0.5 ms。T_w0 与 T_w1 分别表示恒压阶段起始与终止，T_r0 与 T_f1 标记上升沿起始与下降沿终止。T_r1 点为 β-Ga₂O₃ 反向偏置二极管中上升电流斜率开始减缓的临界点。c) 商业硅反向偏置二极管的瞬态电流响应曲线。d) 本研究中测试的 β-Ga₂O₃ 反向偏置二极管瞬态电流响应曲线。测量数据基于六枚器件重复测试获得（灰色曲线），彩色实线为平均响应曲线。

图2. β-Ga₂O₃ 反向偏置二极管在不同电压脉冲阶段的能带图，对应图 1d 中标记 (A) 至 (F)，展示了陷阱辅助载流子动力学的演变过程。a) t = T_r0 且 V = 0 V 时的平衡态；b) 早期正向偏置上升阶段（T_r0 < t ≤ T_r1）； c) 中间升压阶段（T_r1 < t < T_w0）；d) 正向电压峰值阶段（V = 2 V，t = T_w0）；e) 恒压阶段（T_w0 < t ≤ T_w1），此时电流趋近饱和；f) 降压阶段（T_w1 < t < T_f1）。黑色圆圈代表自由电子。绿色实心圆圈表示已捕获电子的陷阱，绿色空心圆圈代表耗尽区中未被占据的陷阱。蓝色空心圆圈对应中性区中尚未捕获载流子但可能后续激活的陷阱。

图3. a) β-Ga₂O₃ 反向偏置二极管在电压脉冲作用下的瞬态电流响应，脉冲宽度 T_w 从 0.05 ms 至 4 ms 变化，而触发时间 T_r 和截止时间 T_f 均固定为 0.5 ms。插图显示了施加电压波形，展示 T_w 的变化过程。b) 作为 T_w 函数的恒压期结束时（t = T_w1）测得的电流。虚线表示正向偏压为 V = 2.0 V 时的稳态直流电流水平。

图4. a) 不同 T_r 和 T_f（0.05至2.5 ms）下的施加电压波形及 β-Ga₂O₃ 反向偏置二极管的对应瞬态电流响应。b) 提取的困载子密度 (N_t) 随 Tr 变化曲线。插图展示瞬态电流曲线下的阴影区域，该区域用于计算 N_t。c) 载子捕获时间常数 (τ) 随 T_r 变化曲线。插图呈现恒压阶段瞬态电流的指数拟合结果及拟合方程。

图5. a) 从图 4a 中电流瞬态的上升段（绿色）和下降段（蓝色）提取的I-V特性曲线。为便于比较，直流 I-V 曲线以洋红色标示。b) t = T_w0 时峰值电流 I_Tw0 与恒压阶段结束时 t = T_w1 电流 I_Tw1 的比值。虚线表示 1，对应直流稳态条件。c) 电流降至 0.1 mA 时的正向偏压（该值在直流稳态条件下对应 V = 0.75 V），作为 T_r 的函数关系。

图6. a) (上) 在固定 T_r、T_f 和 T_w 均为 0.5 ms 条件下，脉冲幅度从 0.9 至 2.0 V 的施加电压波形。(下) 对应的瞬态电流响应，采用匹配颜色绘制。b) 不同脉冲幅度下，从恒压阶段瞬态电流衰减曲线提取的困载子密度（N_t）。c) 通过对恒压阶段瞬态电流进行指数拟合获得的载子捕获时间常数（τ）。插图显示各拟合结果的决定系数（R²），证实拟合精度较高。

图7. a) 不同上升/下降时间（T_r = T_f）下脉冲截获载流子密度（N_t）随脉冲幅值变化曲线，脉冲宽度固定为 0.5 ms，范围为 0.1 至 2.0 ms。b) 通过对恒压阶段瞬态电流衰减进行指数拟合提取的载流子捕获时间常数（τ），绘制为脉冲幅度在 0.9 至 2.0 V 范围内随 T_r 变化的曲线。插图展示指数拟合的 R² 值，证实所提取 τ 值的可靠性。

DOI：

doi.org/10.1002/advs.202518859