【会员论文】西安电子科技大学郝跃院士、韩根全教授团队：电光应力下 β‑Ga₂O₃ 日盲光电晶体管的陷阱诱导不稳定性

        由西安电子科技大学郝跃院士、韩根全教授、李晓茜副教授团队的研究团队在学术期刊 IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES 发布了一篇名为 Trap-Induced Instability in β-Ga₂O₃ Solar-Blind Phototransistors Under Electro-Optical Stress（电光应力下 β-Ga₂O₃ 日盲光电晶体管的陷阱诱导不稳定性）的文章。

        β-Ga₂O₃ 日盲光电晶体管凭借超宽禁带与高增益特性，在紫外通信、火焰探测与空间成像等领域具有重要应用价值。然而，长期电光耦合应力下，器件易出现阈值电压漂移、夹断电流退化与探测性能衰减等可靠性问题，严重制约其长期稳定工作。现有研究多关注界面陷阱行为，对缓冲层体陷阱、光辅助陷阱激活与电场协同作用机制尚不明确，缺乏对负偏应力与紫外光照共同作用下器件不稳定性起源的系统阐释与物理模型。

        该团队系统研究了长期电光应力下 β‑Ga₂O₃ 日盲光电晶体管的陷阱辅助不稳定性。暗态负偏应力下，阈值电压（V_th）在 −3 V 时先轻微负移，在 −5 V 时正移至 0.05 V，同时滞后（ΔV_hysteresis）减小，该转变源于边界陷阱主导的退俘获向 β‑Ga₂O₃ 缓冲层体陷阱的场助俘获过渡。尽管响应度（R）基本保持不变，但漏电流导致夹断电流（I_pinch-off）增大，使探测率（D*）下降近一个数量级。在紫外光照同时作用下，阈值电压漂移扩大至 0.3 V，夹断电流退化率从 136% 提升至 298%，表明缓冲层发生显著光辅助电荷积累。在此条件下，光生载流子激活大量深陷阱并加速电子俘获，使响应度与探测率均退化近一个数量级。该团队建立包含边界陷阱与缓冲层陷阱的陷阱辅助物理模型，复现了观测到的参数漂移与电流退化。结果表明，光诱导缓冲层陷阱激活是电光不稳定性的主要来源，缓冲层缺陷工程是提升 β‑Ga₂O₃ 日盲光电晶体管长期可靠性的关键途径。

        •系统研究长期电光应力下 β-Ga₂O₃ 日盲光电晶体管的陷阱诱导不稳定性。

        •阐明负偏应力下从边界陷阱退俘获到体陷阱俘获的转变机制。

        •揭示缓冲层陷阱的光辅助激活主导电光不稳定性。

        •建立陷阱辅助物理模型解释阈值电压漂移与电流退化。

        •提出缓冲层缺陷工程以提升器件长期可靠性。

        该团队研究表明，阈值电压从 −0.1 V 到 +0.05 V 的演变以及夹断电流退化率从 42% 提升至 84%，说明负偏应力下的不稳定性源于边界陷阱的电子退俘获与缓冲层缺陷的电子俘获共同作用。在负偏光照应力下，0.3 V 的更大正向阈值电压漂移与夹断电流退化率从 136% 提升至 298%，表明非故意掺杂缓冲层的光辅助俘获成为主导机制，加速参数漂移。结果证实，紫外光照不仅增强电子俘获，还能激活暗态下电学惰性的陷阱态，有效增加可及深陷阱密度并强化电荷积累。该分析完整揭示了电光退化过程，并强调抑制非故意掺杂缓冲层的陷阱密度是提升 β‑Ga₂O₃ 日盲光电晶体管长期稳定性的必要手段。

        本研究得到国家自然科学基金（Grant Nos. 62404176、62293522）、国家重点研发计划（Grant No. 2024YFF1504400）、浙江省自然科学基金（Grant Nos. LDT23F0402、LDT23F04024F04）与浙江省领军型创新创业项目（Grant No. 2023R01014）资助。

图 1. (a) 截面结构示意图；(b) 光学显微镜照片；(c) 器件制备关键工艺步骤；(d) 应力测试的测量 - 应力 - 测量方案。

图 2. (a) 不同应力时长下，光电晶体管在 −3/−4/−5 V 栅压的负偏应力与负偏光照应力下的转移曲线；(b) 对应输出曲线。

图 3. (a) −5 V 负偏应力下，考虑转移曲线漂移，不同应力时长后光电晶体管的 R 与 D* 随 tstress 的变化；(b) −5 V 负偏光照应力下的对应变化。

图 4. (a) V_th、(b) ∆V_hysteresis、(c) I_pinch−off 与 (d) I_ON 随 t_stress 的变化关系，测试条件为 NBS 与 NBIS，V_G,stress 为 −3/−4/−5 V。

图 5. −5 V 应力下，(a) 负偏应力与 (b) 负偏光照应力中边界陷阱与非故意掺杂体陷阱的俘获与退俘获动力学示意图。

DOI：

doi.org/10.1109/TED.2026.3664283