【会员论文】APL丨西安电子科技大学郝跃院士、马晓华教授团队：突破单一机制！揭示正向偏置应力下β-Ga₂O₃肖特基势垒二极管退化的双重成因

        由西安电子科技大学郝跃院士、马晓华教授的研究团队在学术期刊 Applied Physics Letters 发布了一篇名为 Beyond a single mechanism: Uncovering the dual origin of degradation in β-Ga₂O₃ SBDs under forward bias stress （突破单一机制：揭示正向偏置应力下 β-Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管退化的双重成因）的文章。

        β-Ga₂O₃ 凭借其超宽禁带和优异的巴利加优值，正成为下一代电力电子器件极具发展前景的核心材料。β-Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管（SBD）是该领域发展的基础，也是高效整流器和功率转换器中的关键元件。尽管场板等先进结构已显著提升了肖特基势垒二极管的性能，但其长期可靠性仍未明确；尤其是在长期正向导通工况下 —— 这一涉及大电流和严重自热效应的最常见工作模式，器件的稳定性相关研究仍十分欠缺。

        本研究阐明了正向偏置应力下 β-Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管的退化规律，并确定了该类器件性能失稳的物理成因。研究发现，正向偏置应力会使器件的反向漏电流和低偏置下的正向电流增大，同时导致开启电压降低；退火处理后，这些参数仅能部分恢复。而应力作用后增大的噪声功率谱密度在退火后可完全恢复，这表明由界面缺陷引发的器件退化具有可逆性。通过温度相关的低频噪声测试结果，确定界面缺陷的能级约为导带底以下 0.35 eV（E_C 为导带最小值）。深能级瞬态谱技术则将器件中剩余的不可逆退化归因于体材料中的 E₂* 缺陷。这一双机制框架为 β-Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管的退化现象提供了清晰的物理解释，也为提升氧化镓功率器件的长期稳定性提供了关键参考依据。

        • 将退火作为分析手段，首次解耦出 β-Ga₂O₃ SBD 正向偏置应力下可逆的界面缺陷和不可逆的体缺陷双重退化成因。

        • 结合低频噪声和深能级瞬态谱技术，精准测定界面缺陷能级为 E_C-0.35 eV，体缺陷为 E₂* 并量化其浓度变化。

        • 建立了 β-Ga₂O₃ SBD 正向偏置退化的双机制框架，从物理层面解释了器件性能退火后仅部分恢复的现象。

        综上，本研究阐明正向偏置应力引发的 β-Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管退化是一种由双重成因主导的复合现象，即热不稳定的界面缺陷和热稳定的体材料缺陷。尽管两种缺陷通过不同机制导致器件退化，但均会引入寄生电流通路，进而使反向漏电流（J_R）和低偏置正向电流（J_F）增大；这些寄生电流通路会降低有效肖特基势垒高度，最终导致开启电压（V_on）下降。此外，引发器件退化的界面缺陷能级约为导带底以下 0.35 eV，而体材料缺陷被确定为 E₂* 缺陷。关键的是，两种缺陷不同的热稳定性从物理层面直接解释了应力后退火处理器件性能仅能部分恢复的原因：界面缺陷引发的退化具有可逆性，而体材料缺陷导致的退化则不可逆。这一双机制框架解决了关于 β-Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管性能失稳的核心争议，并为针对性解决可逆和永久性退化的具体成因提供了清晰的研究思路，本研究成果有望推动氧化镓功率器件可靠性的提升。

        本研究得到国家自然科学基金（项目编号：62104180、U2241220、62421005）和陕西省自然科学基础研究计划（项目编号：2019JCW-14、2020JCW-12）的资助。

图1. 本研究中所测试的 β-Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管的截面结构示意图。

图2. β- 氧化镓肖特基势垒二极管的电流密度 - 电压（J-V）特性图：(a) 半对数坐标图；(b) 线性坐标图。其中黑色实线为正向偏置应力前，绿色实线为正向偏置应力后，绿色点线为应力后退火后，红色实线为再次施加正向偏置应力后，红色点线为第二次退火处理后。

图3. β-Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管电流涨落的功率谱密度随频率的变化图：(a) 正向偏置应力前；(b) 正向偏置应力后；(c) 应力后退火后；(d) 再次施加正向偏置应力后；(e) 第二次退火处理后。

图4. β-Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管的界面缺陷能级分布图：黑色方形为正向偏置应力前，红色圆形为应力后退火后，绿色三角形为第二次退火处理后。

图5. 正向偏置应力后 β-Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管的归一化噪声幅值与温度的关系图（以偏置电压 0.8 V、频率 100 Hz 为例）。上方横轴的激活能由公式（7）的杜塔 - 霍恩模型推导得出。

图6. 在反向偏置 1 V、填充脉冲偏置 0 V、填充脉冲宽度 10 ms 条件下测得的 β-Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管深能级瞬态谱（DLTS）：黑色实线为正向偏置应力前，绿色实线为正向偏置应力后，绿色点线为应力后退火后，红色实线为再次施加正向偏置应力后，红色点线为第二次退火处理后。插图为 E₂* 陷阱的阿累尼乌斯图，测试频率 1 MHz，速率窗口 10 ms；图谱中的正峰对应本研究体系中的多子（电子）缺陷。

DOI：

doi.org/10.1063/5.0309118