【国内论文】APL丨中国科学院微电子研究所、中国科学院大学：电偏置与质子辐照协同效应对β-Ga₂O₃肖特基势垒二极管电性能退化的研究

        由中国科学院微电子研究所、中国科学院大学的研究团队在学术期刊 Applied Physics Letters 发布了一篇名为 Study on the synergistic effect of electrical bias and proton irradiation on the electrical performance degradation of β-Ga₂O₃ Schottky barrier diodes（电偏置与质子辐照协同效应对 β-Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管电性能退化的研究）的文章。

        β-Ga₂O₃ 凭借超宽禁带、高击穿电场与低成本优势，成为航空航天功率电子的核心候选材料。空间环境中高能质子易引发晶格位移损伤，制约器件长期可靠性。传统辐照研究多聚焦零偏工况，而实际工作中器件常处于开态 / 关态偏置，偏置-辐照耦合作用下的退化机制尚不明确，亟需系统性研究以支撑辐射加固设计。

        本工作研究了 5 MeV 质子辐照与不同偏置条件对 β-Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管电性能的协同影响。实验结果表明，随着质子注量增加，质子辐照会导致器件电性能显著退化，表现为正向电流密度降低、反向电流密度减小、击穿电压升高。基于深能级瞬态谱与电容 电压测试，退化归因于辐照在漂移层内引入了能级为 E_C-0.75 eV 的电子陷阱（镓空位相关缺陷）。此外，质子辐照过程中施加关态偏置，会使器件电性能退化程度显著重于无偏置辐照工况。分子动力学模拟与理论分析表明，退化加剧的原因是外加电场抑制了镓空位 间隙原子的复合，并提升了低能次级粒子的能量，进而促进镓空位相关缺陷的形成。

        ·首次系统探究 5 MeV 质子辐照+不同偏置（关态-200 V/开态+4 V）对 β-Ga₂O₃ SBD电性能的协同退化效应，填补该领域研究空白。

        ·明确辐照引入 E_C-0.75 eV 镓空位型电子陷阱是器件退化的核心诱因，实现缺陷能级与退化行为的直接关联。

        ·发现关态偏置会显著加剧辐照损伤：相同注量下，正向电流密度退化率由无偏置的 44% 升至 66%，击穿电压提升幅度由 50% 增至 110%。

        ·结合分子动力学模拟揭示协同退化机制：电场抑制空位-间隙原子复合、提升次级粒子能量，促进镓空位缺陷稳定形成。

        本工作从缺陷演化角度，研究了 5 MeV 质子辐照下 β-Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管电性能退化与偏置条件的关联及其物理机制。结果表明，随着质子注量增加，器件正向电流密度显著降低、击穿电压明显升高、反向电流密度明显减小。基于电容-电压与深能级瞬态谱测试结果，器件退化归因于漂移层内 E_C-0.75 eV 能级受主型陷阱数量增加引发的载流子移除效应，该缺陷为扫描能级范围内的主导缺陷。此外，质子辐照过程中施加关态偏置会在漂移层内产生更多缺陷，加剧电性能退化。分子动力学模拟与理论分析表明，关态偏置通过提升低能次级粒子能量、在级联碰撞过程中引入外场降低空位 间隙原子复合率，进而加剧缺陷形成。本研究结果为进一步优化 β-Ga₂O₃ 基器件性能、提升其可靠性提供重要理论依据。

        本研究受国家自然科学基金（项目编号：62404247、62204019）资助。

图 1 制备的 β‑Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管结构示意图

图 2 β‑Ga₂O₃肖特基势垒二极管的 I‑V 特性。(a) 仅质子辐照前后；(b) 质子辐照与开态电应力耦合前后；(c) 质子辐照与关态电应力耦合前后

图 3 (a) 原始器件与辐照后器件（2 × 10¹³ p/cm²）的反向 I‑V 曲线；(b) 原始器件与辐照后器件（2 × 10¹³ p/cm²）的击穿电压（V_BR）统计

图 4 β‑Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管在 1 MHz 频率下的 C‑V 特性。(a) 仅质子辐照前后；(b) 质子辐照与开态电应力耦合前后；(c) 质子辐照与关态电应力耦合前后。插图：不同质子注量下器件净载流子浓度随耗尽区深度的分布

图 5 (a) 质子辐照前后 β‑Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管的深能级瞬态谱（DLTS）；(b) 各陷阱态的阿伦尼乌斯曲线；(c) DLTS 提取的陷阱浓度随质子注量的变化关系

图 6 10 keV 镓初级撞出原子（Ga PKA）辐照下 β‑Ga₂O₃中缺陷的时间演化。(a) 空位与间隙原子的时空分布随时间变化；(b) 不同辐照条件下空位数量随时间的变化

DOI:

10.1063/5.0327011