【会员论文】JAC丨四川大学：低注量 Ge 离子辐照 β-Ga₂O₃ 中通过氮气退火实现的缺陷调控

        由四川大学的研究团队在学术期刊 Journal of Alloys and Compounds 发布了一篇名为 Defect engineering through nitrogen annealing in low-fluence Ge ion irradiated β-Ga₂O₃（低注量 Ge 离子辐照 β-Ga₂O₃ 中通过氮气退火实现的缺陷调控）的文章。

        超宽禁带半导体材料因其高击穿电场、高热稳定性和强抗抗辐射能力，在航天电子及高功率器件领域展具有重要的应用潜力。其中，β-Ga₂O₃ 宽禁带约为4.8 eV，理论击穿电场高达 8 MV/cm，其综合性能显著优于 SiC 和 GaN 等第三代半导体材料。然而，在真实太空环境中，器件长期处于低通量、高能粒子辐照条件下，会产生辐照诱生缺陷，引起晶格无序、非辐射复合增强以及光电性能衰退。目前研究多集中于高注量辐照或器件电学的退化行为，而对低注量重离子辐照下缺陷的早期演化过程及其可逆修复机制仍缺乏系统研究。深入揭示辐照缺陷的形成机理及退火调控规律，对于评估 β-Ga₂O₃ 在极端辐射环境下的可靠性及推动其稳定应用具有重要意义。

        为提升极端环境应用的可靠性，深入理解超宽禁带半导体超宽禁带（UWBG）半导体材料 β-Ga₂O₃ 在辐照与退火过程中缺陷的演化行为至关重要。本研究揭示了低温退火修复 β-Ga₂O₃ 中低注量重离子辐照诱导损伤的微观机制。通过对材料进行低注量 212 MeV Ge 离子辐照，并随后在氮气氛围中进行300 ℃ 和 500 ℃退火处理，结合多种光谱表征手段发现：低注量重离子辐照主要引入氧空位（V_O）、镓空位（V_Ga）及其复合缺陷，导致晶格无序和光学性能退化。退火过程能有效促进点缺陷的迁移，驱动空位与间隙原子复合湮灭。在 500 ℃ 退火后，材料的化学计量比与晶体完整性基本恢复，非辐射复合被显著抑制。结果表明，β-Ga₂O₃ 中本征点缺陷具有高度可逆性，这为其在极端辐射环境下的可靠应用奠定了关键依据。

        ● 阐明了低注量重离子辐照下 β-Ga₂O₃ 的核心损伤机制：低注量 Ge 离子辐照在材料中主要诱生 V_O 和 V_Ga 及其符合缺陷。

        ● 300 ℃ 氮气退火能有效驱动空位与间隙原子复合湮灭，显著降低 V_O 位浓度，在一定程度上修复辐照诱导的结构损伤。

        ● 500 ℃ 氮气退火可进一步促进晶体完整性的恢复，同时非辐射复合被显著抑制。

        ● 提出了“辐照-退火”方式可有效恢复 β-Ga₂O₃ 中辐照诱生缺陷，为评估和保障 β-Ga₂O₃ 器件在航空航天等长周期、低通量辐射环境中的稳定性与服役可靠性提供了关键实验依据。

        本研究系统揭示外延 β-Ga₂O₃ 薄膜在 212 MeV  低注量 Ge 离子辐照及氮气退火处理下缺陷演化与修复的微观机理。研究结果表明，辐照主要诱生V_O、 V_Ga 及其 V_Ga+V_O 复合缺陷，导致了局域晶格畸变（HRTEM）与氧元素相对于镓元素比例的偏移。氮气退火能够有效驱动缺陷修复， 300 ℃ 退火可有效钝化 V_O 缺陷；而 500 ℃ 退火则能进一步促进晶格重组，显著降低整体缺陷，但部分深能级缺陷表现出较高的热稳定性。这一过程通过HRTEM、拉曼光谱及光致发光光谱获得了结构、化学与光学性质的多维度验证，明确了特定发缺陷的湮灭与关学信号变化的直接关联。本研究不仅阐明了辐照损伤与退火之间的动态耦合机制，也为 β-Ga₂O₃ 极端辐射环境下通过可控退火实现性能恢复与稳定应用提供了关键的实验与理论依据。

图1. β-Ga₂O₃外延层在Ge离子辐照下的微观结构与成分演化。(a)截面HRTEM图像；(b) 和 (c)分别为辐照前区域 1 和区域 2 的高倍 HRTEM 图像，(d)为辐照前区域1的SAED图样；(e)和 (f)分别为辐照后区域 1 和区域 2 的高倍HRTEM 图像，(g)为辐照后区域 1 的 SAED图样；(h–k)为辐照前后外延层中O和Ga元素信号强度的EDX 元素分布图；(l) 为沿 (a) 中红色虚线路径获得的O和Ga元素浓度分布曲线。

图2. β-Ga₂O₃ 样品在辐照前（黑色曲线）、经注量为 1 × 10⁷ ions/cm² 的Ge离子辐照后（红色曲线），以及辐照后分别在300 ℃（蓝色曲线）和500 ℃（绿色曲线）条件下进行氮气退火处理后的拉曼光谱。

图 3. β-Ga₂O₃样品的 O 1s XPS 能谱：(a) 辐照前；(b)经注量为 107 ions/cm² 的Ge 离子辐照后；以及辐照后分别在(c) 300 ℃ 和 (d) 500 ℃ 条件下进行氮气退火处理的样品。(e) 不同处理条件下Ga-O 键、V_O, 及化学吸附氧的 XPS 峰面积比例变化；(f)根据峰面积比例计算得到的β-Ga₂O₃ 样品在辐照前（Pre-I）、辐照后（Post-I）以及辐照后分别经 300 ℃（A-300 ℃）和500 ℃（A-500 ℃）氮气退火处理后的V_O/( V_O + Ga-O) 比值。

图 4. PL谱的高斯分峰结果：(a)辐照前样品；(b)经注量为10⁷ ions/cm²的Ge离子辐照后的样品；以及辐照后分别在 (c) 300 ℃和(d) 500 ℃ 条件下进行氮气退火处理的样品。

DOI：

doi.org/10.1016/j.jallcom.2026.186559