【国内论文】中国科学院物理研究所纪爱玲‌副研究员联合北邮李培刚教授团队：β-Ga₂O₃ 晶体与肖特基势垒二极管的辐照性能衰减中质子与中子对比的研究

        由中国科学院物理研究所纪爱玲‌副研究员联合北京邮电大学李培刚教授的研究团队在学术期刊 Chinese Physics B 发布了一篇名为 Irradiation-Induced Performance Degradation of β-Ga₂O₃ Crystals and Schottky Barrier Diodes: Proton vs Neutron（β-Ga₂O₃ 晶体与肖特基势垒二极管的辐照性能衰减：质子与中子对比）的文章。

        太空环境中电子器件长期受高能粒子与电离辐射辐照，会引发器件性能衰减，大幅降低在轨航天器可靠性，因此亟需开发耐辐照电子材料。氧化镓（Ga₂O₃）作为第四代超宽禁带半导体，具备超宽禁带、高击穿电场、优异巴利加优值等优势，是大功率、高压、耐辐照电子器件的核心候选材料。

        β 相氧化镓是热力学最稳定晶型，其体单晶可采用导模法（EFG）等低成本熔体法制备，在功率电子、空间光电探测器件领域具备极高商业化价值。在航天、核反应堆服役场景中，器件会持续遭受质子、中子等高能粒子轰击，产生晶格空位缺陷、载流子耗尽等问题，严重劣化器件电学性能。

        现有研究仅单独探究 β-Ga₂O₃ 质子或中子辐照损伤，缺少基于相同辐照条件、采用 EFG 法生长(100)取向掺锡 β-Ga₂O₃ 单晶的系统性对比实验；同时鲜有研究建立晶格无序程度与肖特基二极管电学衰减机制的直接关联，制约了 β-Ga₂O₃ 在抗辐照电子器件领域的落地应用。

        耐辐照宽禁带半导体是空间与核环境高性能电子器件的核心基础。本文采用(100)取向掺锡 β-Ga₂O₃ 单晶，系统研究 100 MeV、注量 1×10¹² cm⁻² 质子、中子辐照下的缺陷演化规律；制备肖特基接触结构，表征辐照后材料电学性能衰减行为。X 射线衍射结果表明：原始样品与辐照后样品均保持(100)择优取向；质子辐照引入的晶格无序程度极低，增幅不足 1%；中子辐照会造成严重位移损伤，XRD 衍射峰半高宽扩大至原始样品的 2.15 倍。两种辐照源下肖特基器件电学特性存在显著差异：质子辐照后器件开关比仍高于 10⁶，导通电阻低至 6 mΩ·cm²，展现出优异的抗质子辐照能力；中子辐照样品虽生成大量晶格缺陷，但器件仍保持大于 10⁵ 的优良整流特性。同等辐照注量下，β-Ga₂O₃ 耐辐照性能优于碳化硅、氮化镓。本研究明确建立缺陷演化与材料性能的关联机制：质子辐照产生的点缺陷可发生高效动态退火，而中子通过级联位移效应生成稳定缺陷团簇，是器件性能劣化的主导因素。该研究为 β-Ga₂O₃ 在航天、核领域的应用提供关键性能指标，同时为宽禁带半导体抗辐照方案设计提供理论指导。

        首次针对导模法(EFG)制备(100)取向掺锡 β-Ga₂O₃ 单晶，在完全相同的 100 MeV、1×10¹² cm⁻² 辐照条件下开展质子、中子辐照对比研究。

        揭示两种粒子截然不同的损伤机理：质子仅产生浅层表面点缺陷，且存在高效动态退火效应；中子引发体内原子级联位移，生成稳定缺陷团簇，损伤不可逆。

        搭建多维度表征体系（XRD、AFM、XPS、PL、紫外可见吸收、半导体电学测试），完整建立晶格缺陷-表面形貌-化学键合-器件电学衰减的对应关系。

        定量对比 β-Ga₂O₃ 与 SiC、GaN 的耐辐照能力，证实 β-Ga₂O₃ 肖特基二极管具备极强的抗质子辐照特性。

        给出可直接用于航天、核环境抗辐照氧化镓功率器件设计的定量结构、电学性能参数与损伤机理依据。

        本文采用导模法(EFG)制备(100)取向掺锡 β-Ga₂O₃ 单晶衬底，开展 100 MeV、注量 1×10¹² cm⁻² 质子、中子辐照实验，并基于辐照后衬底制备垂直结构肖特基二极管（SBD）。对比研究质子、中子辐照对 β-Ga₂O₃ 材料及垂直肖特基二极管电学性能的影响，结果表明：在相同辐照能量与注量条件下，质子辐照后材料本体与器件电流特性基本无明显衰减；中子辐照会在 β-Ga₂O₃ 内部生成大量无序晶格区域，造成材料与器件性能较严重劣化。本研究证实 β-Ga₂O₃ 单晶具备优异的 100 MeV 质子辐照耐受能力；辐照后制备的肖特基二极管仍可维持稳定电学性能，进一步证明 β-Ga₂O₃ 块体材料拥有极强抗辐照稳定性，适用于极端辐照环境下的长期服役。

        本研究得到国家自然科学基金（项目编号：52572146）资助。

图 1 质子、中子辐照下 β-Ga₂O₃ 内部空位浓度随深度分布曲线

图 2 (a) 原始与辐照掺锡 β-Ga₂O₃ 单晶 XRD 2θ-ω 扫描图谱；(b) (400)衍射摇摆曲线

图 3 (a-c) B1/P1/N1三组样品 3×3 μm² 扫描区域三维 AFM 表面形貌；(d) 均方根粗糙度 RMS 变化趋势

图 4 掺锡 β-Ga₂O₃ 光学性能测试：(a) 室温光致发光 PL 谱；(b) (αhν)²-光子能量禁带宽度拟合曲线

图 5 掺锡 β-Ga₂O₃ XPS 全谱与精细谱：(a) 全元素扫描谱；(b) Ga 2p 特征峰；(c) 分峰拟合 O 1s 谱图

图 6 三组 β-Ga₂O₃ 垂直肖特基二极管正向电流密度-电压(J-V)特性曲线

图 7 器件电容电学表征：(a) 肖特基二极管 C-V 曲线；(b) 用于提取载流子浓度的 1/C²-V 拟合曲线

DOI：

doi.org/10.1088/1674-1056/ae7e73