【会员论文】JPD丨四川大学向钢教授：氮气退火对低注量Ge离子辐照β-Ga₂O₃肖特基势垒二极管缺陷恢复的研究

        由四川大学向钢教授的研究团队在学术期刊 Journal of Physics D: Applied Physics 发布了一篇名为Nitrogen Annealing for Defect Recovery in Low-fluence Ion-irradiated β-Ga₂O₃ Schottky Barrier Diodes（氮气退火对低注量Ge离子辐照β-Ga₂O₃肖特基势垒二极管缺陷恢复的研究）的文章。

        超宽禁带半导体材料因其高击穿电场、优异的热稳定性和出色的抗辐射能力，在航天电子与高功率器件领域展现出广阔的应用前景。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、GaN 等第三代半导体材料，尤其适用于SBD等高压整流器件，具备导通损耗低、击穿电压高等优势。然而，在空间辐射环境中，高能粒子辐照会在β-Ga₂O₃中引入氧空位、镓空位等深能级缺陷，破坏晶体结构，进而影响器件的电学性能。虽然辐照后退火处理被证明可部分修复缺陷并恢复材料性能，但针对低注量重离子辐照下的缺陷演变机制，以及氮气退火对其修复作用的研究仍较为有限。因此，深入研究辐照诱生缺陷的演化行为及其退火修复规律，对于提升β-Ga₂O₃器件在极端航天环境下的服役可靠性具有重要意义。

        超宽禁带半导体β-Ga₂O₃在抗辐射功率电子器件领域展现出重要的应用潜力。本文系统研究了低注量Ge离子辐照及后续 500 ℃ 氮气退火对Au/Ni/β-Ga₂O₃ SBD的影响。电学测试结果表明，离子辐照导致器件性能退化，表现为理想因子（η）、肖特基势垒高度（Φ_B）以及串联电阻（R_S）的增加。而500 ℃氮气退火有效缓解了上述退化现象，这主要归因于辐照诱生缺陷的修复。DLTS分析表明，辐照前器件中存在E_C-0.76 eV 的本征缺陷能级（E2/E2*）；辐照后在 E_C-0.99 eV处引入了一个新的缺陷能级（E3）。氮气退火能显著降低E2/E2*与E3缺陷的浓度。结合Sentaurus TCAD仿真发现，退火后器件的击穿电压（BV）相较于辐照前仅发生轻微变化。本研究揭示了β-Ga₂O₃中辐照诱生缺陷的形成与恢复机制，证实了氮气退火是提升其抗辐射性能的有效手段，为器件在极端环境中的应用提供了重要参考。

        ● 揭示了低注量Ge重离子辐照在β-Ga₂O₃ SBD中诱生缺陷的物理机制：辐照主要诱生 V_O、V_Ga及其复合缺陷，并引入E_C-0.99 eV新的深能级缺陷(E3)，这是导致器件电学性能退化的根本原因。

        ● 证实了500 ℃氮气退火对辐照缺陷具有显著的修复效果。该工艺能有效降低E2/E2*与E3深能级缺陷浓度及界面态密度，使退化的电学参数得到明显恢复。

        ● 提出“低注量辐照—氮气退火”协同调控策略，该策略在可恢复器件性能，为优化β-Ga₂O₃器件抗辐射能力提供了新思路。

        本文系统研究了212 MeV高能低注量Ge离子辐照及后续500 ℃氮气退火对β-Ga₂O₃ SBD电学性能的影响。结果表明：离子辐照会在器件中引入V_O、V_Ga以及V_Ga+V_O复合缺陷，导致N_D降低，Φ_B和R_S增大，造成器件性能退化。而500 ℃氮气退火能有效修复辐照损伤，通过降低界面态密度和深能级缺陷浓度，使电学参数得到显著恢复。DLTS分析进一步证实，退火后E2/E2*和E3缺陷浓度均显著下降。本研究揭示了缺陷演化、退火修复与界面协同作用下性能恢复机制，证实了氮气退火是一种提升β-Ga₂O₃ SBD抗辐射能力的有效方法，为其在极端环境中的应用提供了重要参考。

图1. 实验与模拟的J_F-V线性坐标和半对数坐标特性曲线；插图为0.3-1.5 V范围内J_F-V曲线的局部放大图。

图2. (a) 实验与模拟的HFCV(1/C²-V)特性曲线；(b) N_D~x关

图 3. (a) DLTS谱图；(b) 对应的Arrhenius曲线。

图 4. (a) D1-A50和D2-A500器件测量与模拟得到的击穿电压特性对比；(b) D1-A500 在反向电压180 V下的电场分布；(c) D2-A500在反向电压180 V下的电场分布。

DOI：

10.1088/1361-6463/ae480e