【国际论文】西班牙巴塞罗那微电子研究所、奥地利莱奥本材料研究中心：硅注入铁掺杂 β-Ga₂O₃ 晶体中的高效空间电荷电流注入及其极低热击穿电场

        由西班牙巴塞罗那微电子研究所（IMB-CSIC）、奥地利莱奥本材料研究中心（MCL）的研究团队在学术会议2026 27th International Conference on Thermal, Mechanical and Multi-Physics Simulation and Experiments in Microelectronics and Microsystems (EuroSimE) 发布了一篇名为Efficient Space Charge Current Injection in Silicon Implanted Fe-doped β-Ga₂O₃ Crystals Resulting in Extremely Low Thermal Breakdown Field（硅注入铁掺杂 β-Ga₂O₃ 晶体中的高效空间电荷电流注入及其极低热击穿电场特性） 的文章。

        氧化镓（Ga₂O₃）因其超宽禁带和高临界击穿电场，成为下一代功率器件的热门材料。然而，其热导率远低于 SiC 和 GaN，导致严重自热效应，限制了高功率应用。现有研究多聚焦于散热结构优化，而对可控热效应的利用尚不充分。

        本研究报道了在含浅硅注入导电沟道的铁掺杂绝缘 β-Ga₂O₃ 衬底中，与二次方输运机制相关的一种异常且显著的局部焦耳热现象。器件采用间距 10–30 微米的同心钛/金电极，呈现可重复的二次方电流-电压关系（I ∝ V²），为空间电荷限制电流（SCLC）传导的典型特征。时域热反射法（TDTR）热导率测试显示，硅注入沟道热导率（12.5 ± 0.4 W/mK）低于铁掺杂体材料（20.2 ± 0.6 W/mK），表明离子注入引发晶格无序，增强了声子散射。施加偏压时，SCLC 导致的非均匀电场分布形成局部强焦耳热区域，产生剧烈温度梯度，使器件在较低电压（10–20 V）下发生提前热击穿。研究提出电-热耦合模型，描述器件内部空间电荷积累、电场重新分布与焦耳热的相互作用。结果表明电-热效应对氧化镓横向结构至关重要，且可控 SCLC 热效应可用于低功耗高效局部电加热应用。

        ·首次在硅注入铁掺杂 β-Ga₂O₃ 中观测到强SCLC二次方输运与局部焦耳热耦合现象。

        · 证实离子注入显著降低氧化镓沟道热导率，为晶格无序增强声子散射提供直接实验证据。

        · 建立电-热耦合模型，揭示低电压下提前热击穿的物理机制。

        · 提出可控 SCLC 热效应可用于低功耗局部加热的新应用方向。

        本研究探究了含浅硅注入导电沟道与横向同心金属电极的铁掺杂 β-Ga₂O₃ 衬底的电学与热学特性。电学测试显示，通过注入区钛/金欧姆接触实现高效载流子注入，器件呈现与空间电荷限制电流（SCLC）输运一致的清晰二次方电流-电压关系。时域热反射法热学表征表明，相较于铁掺杂体材料，注入层热导率显著降低，归因于离子注入引发的晶格无序与声子散射增强。SCLC 传导与非均匀电场分布共同作用，在沟道区域形成强烈局部焦耳热。这种电-热耦合产生巨大温度梯度，使器件在较低施加电压下发生提前热击穿。研究建立简化解析模型，描述 SCLC 状态下电场与体焦耳热的空间分布，模型与实验结果高度吻合。上述结果凸显电-热效应对 β-Ga₂O₃ 器件（尤其短电极间距横向结构）的重要影响。

图 1 (a) 制备器件的截面示意图。(b) 典型器件的光学图像。

图 2 硅注入并经 950℃退火后，铁掺杂 (010) 取向 β-Ga₂O₃的 XRD 衍射峰。

图 3 (010) 取向铁掺杂 Ga₂O₃ 样品器件的显微拉曼光谱。

图 4 硅注入层和铁掺杂衬底上三个不同位置的实测冷却曲线及对应拟合函数。

图 5 阳极 - 阴极电流的空间电荷电流拟合曲线及显示提前热击穿的 I-V 曲线（插图）。

DOI：

10.1109/EuroSimE69483.2026.11511992