【会员论文】APR丨西安电子科技大学郝跃院士、马晓华教授团队：β-Ga₂O₃在电场作用下的各向异性断裂

        由来自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 Reviews发布了一篇名为Electric field-directed anisotropic failure of β-Ga₂O₃（β-Ga₂O₃在电场作用下的各向异性断裂）的文章。

        β相氧化镓（β-Ga₂O₃）凭借超高临界击穿电场（~8 MV/cm）、优异的巴利加优值以及稳定的材料特性，被公认为下一代高压功率器件最具潜力的超宽禁带半导体之一。但在实际工作中，β-Ga₂O₃基功率器件不可避免地承受长期周期性电应力与高温热应力共同作用。由于 β-Ga₂O₃本征热导率低且晶体结构各向异性显著，电场与热场的耦合会引发严重的非均匀热量聚集与局部电场增强，大幅降低器件的工作稳定性与长期可靠性。传统可靠性研究多集中于宏观电学参数演化，缺乏对结构失效过程的原子级直接实时观测与定量分析。此外，电热耦合下 β-Ga₂O₃ 失效的核心驱动力、微观机制与演化路径仍不明确，严重制约大功率 β-Ga₂O₃ 器件的性能优化与可靠性设计。

        β相氧化镓（β-Ga₂O₃）作为超高压功率器件的关键材料，面临严峻的可靠性挑战。在反复电应力与高温热场的耦合作用下，材料稳定性直接决定功率器件在极端服役条件下的可靠性。但目前仍缺乏原子尺度下 β-Ga₂O₃ 在电热耦合场中失效过程的实时观测与机理解释。该团队通过原位透射电子显微镜（in situ TEM）在 500℃、1 V 偏压的电热耦合场下，直接观测到 β-Ga₂O₃ 沿 (200) 等低指数晶面的各向异性失效。控制解耦实验证实，电场是触发与导向该各向异性熔融过程的核心驱动力。此外，电热应力显著加速失效，使熔融速率从 1.145 nm²/s 提升至 4.937 nm²/s。该团队结合实验观测与理论分析，建立完整物理链：电场与材料本征各向异性的协同作用驱动外场诱导缺陷的产生与迁移，最终导致 β-Ga₂O₃ 发生各向异性失效。该工作不仅为理解极端工作条件下 β-Ga₂O₃ 的失效行为提供直接证据，也为研发高可靠高压功率器件提供关键设计指导。

        • 首次在原子尺度实时观测到电热耦合场下 β-Ga₂O₃ 沿 (200) 低指数晶面的电场导向型各向异性失效。

        • 解耦实验证实电场是各向异性熔融的核心驱动力，热场与辐照场仅起辅助作用。

        • 揭示 β-Ga₂O₃(200) 晶面存在逐层分解与多层对称熔融两种典型失效机制。

        • 电热老化后熔融速率提升超 4 倍，证明累积应力会造成材料不可逆结构退化。

        • 建立缺陷动力学、电场局域化、本征各向异性共同诱发各向异性失效的完整物理链。

        该团队采用原位透射电子显微镜，首次揭示并阐明多场耦合下 β-Ga₂O₃ 的电场导向型各向异性失效机制，主要结论如下：

        1. 该团队发现一种新型电场驱动各向异性失效模式。β-Ga₂O₃ 的失效并非随机发生，而是严格沿 (200) 等低指数晶面进行高度有序的过程，从逐层剥离演变为多层分解。控制解耦实验证实，电场是触发与导向各向异性失效的核心驱动力。

        2. 该团队揭示了各向异性失效的物理链：辐照与电场协同引入活性空位缺陷；电热场协同定义材料薄弱区域；热导率主导各向异性失效路径；最终在多场耦合下触发各向异性失效现象。

        3. 该团队建立微纳尺度加速老化研究范式，阐明累积电热应力对 β-Ga₂O₃ 微观结构失效的加速效应。经过多次电热应力冲击后，β-Ga₂O₃ 材料沿 (200) 晶面的熔融速率提升 4 倍以上，揭示电热老化加速材料失效演化的内在规律。

        4. 该团队为高可靠 β-Ga₂O₃ 功率器件设计提供理论依据与优化策略：材料层面通过缺陷工程抑制有害点缺陷的产生与迁移，从晶圆制备阶段规避力学弱晶面以提升本征可靠性；器件层面通过将沟道取向与电场分布沿热导率和击穿电场方向最优组合进行协同优化，避免各向异性失效，使器件在服役条件下长期稳定工作。该工作从原子尺度揭示多场耦合下 β-Ga₂O₃ 的各向异性失效机制，将宽禁带半导体可靠性研究视角从宏观性能退化拓展至晶体结构失稳的微观层面，为未来超高可靠 β-Ga₂O₃ 基功率器件设计提供关键理论指导。

        国家自然科学基金（批准号：62274130、62574157、62188102），中国博士后科学基金（编号：2024T170693），新疆维吾尔自治区天池英才项目。

图 1 500℃、1 V 条件下 β-Ga₂O₃ 的各向异性失效过程。(a)–(c) 熔融过程示意图。(d) 各向异性熔融演化示意图。(e)–(l) 各向异性熔融过程 TEM 图像。(m) 非晶区域中 β 相的 TEM 图像及其对应 FFT 图谱。

图 2 β-Ga₂O₃(200) 晶面的两种熔融机制。(a)–(d) I 型：逐层熔融过程 TEM 图像。(e) 逐层熔融机制示意图。(f)–(i) II 型：多层熔融过程 TEM 图像。(j) 多层熔融机制示意图。

图 3 (a)–(f) 室温电子束辐照下 β-Ga₂O₃ 熔融过程 TEM 图像。(g)–(l) 热辐照下 β-Ga₂O₃ 熔融过程 TEM 图像。

图 4 (a) 正弦电压测试的电流 - 电压特性曲线。(b) 正弦测试区间（蓝色区域）Poole–Frenkel 模型拟合电流 - 电压曲线。(c) 500℃恒温 1 V 恒压下电流 - 电压特性曲线。(d) 电子透明 β-Ga₂O₃样品（左）与 1 V 恒压下 β-Ga₂O₃ 内部模拟电场分布（右）。

图 5 (a)–(i) 500℃、1 V 恒压下电热应力老化后 β-Ga₂O₃ 各向异性失效过程 TEM 图像。

DOI : 

doi.org/10.1063/5.0312538