【会员论文】APL丨西交大周磊簜副教授团队系统揭示Al₂O₃/β-Ga₂O₃ MOS器件辐照损伤机制，超临界流体工艺实现抗辐照加固

        由西安交通大学周磊簜副教授的研究团队在学术期刊 Applied Physics Letters 发布了一篇名为 Radiation damage and hardening via supercritical fluid process in Al₂O₃/β-Ga₂O₃ MOSCAPs: Insights from proton, Ta-ion, γ-ray, and neutron irradiation（Al₂O₃/β-Ga₂O₃ MOSCAP 器件中经超临界流体工艺引起的辐射损伤与致硬效应：基于质子、钽离子、γ 射线和中子辐照的研究结果）的文章。

        β-Ga₂O₃ 器件凭借高阈值位移能、优异辐射探测与日盲紫外探测性能，在空间强辐照极端环境器件领域具备巨大应用潜力。高能粒子与射线会通过电离能量损失、非电离能量损失两种途径在 β-Ga₂O₃ 器件内部诱发复杂辐照损伤。现有 β-Ga₂O₃ 辐照损伤研究大多聚焦垂直肖特基势垒二极管、垂直 PN 结二极管、平面金属-半导体-金属探测器，损伤机制主要围绕 β-Ga₂O₃ 体材料与金属/半导体界面辐照响应展开。

        Al₂O₃/β-Ga₂O₃ MOS 结构广泛应用于沟槽肖特基二极管、MOS 场效应晶体管，但针对该结构电容器件的多类型辐照对比损伤机理研究仍十分匮乏。Al₂O₃ 层内氧空位 Vₒ 本征缺陷是决定器件抗辐照能力的核心因素，电离损伤产生的空穴会被氧空位捕获，使其转变为电子陷阱，增大器件漏电流。

        传统高温退火钝化缺陷效果有限，低温超临界流体（SCF）工艺可同时钝化 Al₂O₃ 氧空位与异质结界面陷阱，降低界面电场、提升击穿场强，具备成为 β-Ga₂O₃ 器件抗辐照加固新工艺的潜力。目前尚无系统对比质子、钽离子、γ 射线、中子四类典型辐照对 Al₂O₃/β-Ga₂O₃ MOS 电容损伤规律，并验证超临界流体辐照加固效果的研究。

        本研究系统对比了质子、钽（Ta）离子、γ 射线以及中子辐照下 Al₂O₃/β-Ga₂O₃ 金属-氧化物-半导体电容（MOSCAPs）的器件退化行为，全面探究了界面态密度（D_it）、Al₂O₃ 层内边界陷阱密度（N_t）以及 β-Ga₂O₃ 体内净载流子浓度（N_D−N_A）等关键参数对器件性能的影响。在阐明辐照损伤机理的基础上，进一步探究了超临界流体（SCF）预处理实现 Al₂O₃/β-Ga₂O₃ MOS 电容 γ 射线抗辐照加固的可行性。

        对于 Al₂O₃/β-Ga₂O₃ MOS 结构，更薄的氧化层能够提升栅控能力与静电耦合效果，但会带来漏电流增大的问题。鉴于 Al₂O₃ 厚度（tₒₓ）在 20–50 nm 区间是 Al₂O₃/β-Ga₂O₃ MOS 场效应晶体管的常用设计范围，本文制备了氧化层厚度分别为 20 nm、30 nm、50 nm 的三类 MOS 电容。图 1 (a) 为基于 n 型 (001) β-Ga₂O₃ 外延片制备的垂直结构 MOS 电容。完成标准清洗后，采用电子束蒸发（EBE）工艺在衬底背面蒸镀 Ti/Au（30/80 nm）金属叠层，并在氮气氛围、475 ℃ 条件下快速热退火 90 s，形成欧姆接触；随后以三甲基铝和水为前驱体，在 250 ℃ 下通过原子层沉积（ALD）工艺在外延层上生长厚度为 50 nm、30 nm 或 20 nm 的 Al₂O₃ 薄膜；最后再次采用电子束蒸发在 Al₂O₃ 薄膜表面蒸镀 Ni/Au（30/100 nm）金属叠层作为阳极。针对辐照损伤研究：氧化层厚度 50 nm 的 MOS 电容采用 5 MeV 质子辐照，注量为 1 ×10¹³ cm⁻²；氧化层厚度 30 nm 的 MOS 电容分为两组，一组置于钴 - 60 γ 射线源（光子能量 1.33 MeV）下累积辐照总剂量 1.108 Mrad（以二氧化硅为剂量介质），另一组接受能量 1864 MeV 钽离子辐照，注量 4 ×10⁷ cm⁻²，线性能量转移值 75 MeV・cm²/mg；氧化层厚度 20 nm 的 MOS 电容采用 14 MeV 快中子辐照，注量 4 ×10¹⁴ cm⁻²。所有辐照实验均在室温、无外加偏压条件下完成。针对抗辐照加固研究：在阳极制备完成后，对氧化层厚度 50 nm 的 MOS 电容开展低温超临界流体处理（氧化亚氮介质、20 MPa 压力、处理时长 1 h），随后将经过 SCF 处理与未处理的器件按照上述相同条件进行 γ 射线辐照。全程在室温避光环境下，利用 Keithley 4200-SCS 半导体参数分析仪与 Agilent B1505A 功率器件分析仪测试 MOS 电容的电学特性。

        ①首次系统对比质子、Ta 重离子、γ 射线、快中子四类典型空间辐照对 Al₂O₃/β-Ga₂O₃  MOS 电容的差异化损伤行为，厘清电离损伤、位移损伤、局部退火效应三者耦合竞争的完整损伤机理。

        ②定量揭示不同辐照对 Al₂O₃ 层边界陷阱、异质结界面态、β-Ga₂O₃ 体内净载流子浓度、击穿场强、漏电流的差异化调控规律，明确中子辐照载流子移除、Ta 离子局部退火两种独特缓解损伤机制。

        ③首次将低温超临界流体（SCF）预处理用于 Al₂O₃/β-Ga₂O₃ MOS 器件 γ 射线辐照加固，通过钝化 Al₂O₃ 氧空位本征缺陷抑制电离损伤，将辐照后击穿电压衰减幅度由 8.03% 降至 2.18%，提出面向 β-Ga₂O₃ MOS 结构的全新抗辐照加固工艺方案。

        ④基于陷阱辅助隧穿（TAT）模型阐明多辐照类型下漏电流演化机制，结合能带变化解释不同辐照引起电子陷阱能级偏移的物理本质。

        综上，本研究阐明了质子、钽离子、γ 射线与中子辐照下 Al₂O₃/β-Ga₂O₃ MOS 电容的辐照损伤机理，并采用超临界流体预处理工艺实现了器件的 γ 射线抗辐照加固。一方面，针对辐照损伤机理：γ 射线辐照后器件的 V_fb,1 降低、ΔV_fb 增大，根源在于可捕获空穴的中心俘获空穴后转变为电子陷阱，该现象直观反映了器件内部的电离损伤。质子、钽离子和中子辐照会引入额外的位移损伤，直接造成边界陷阱与界面陷阱数量增多，两类损伤共同作用，使器件漏电流上升、击穿场强 E_br 下降。值得注意的是，C_m 频散量、ΔV_fb 与界面态密度 D_it 均出现下降，证明钽离子辐照带来的局部退火效应能够对异质结处的陷阱实现部分钝化，但该效应无法主导器件正向电流特性。与之相反，中子辐照会大幅降低净载流子浓度 N_D−N_A，从而有效提升器件击穿场强 E_br。另一方面，针对抗辐照加固效果：在 γ 射线辐照前，超临界流体预处理可钝化边界陷阱与界面陷阱，全面优化器件电学性能，漏电流降低、击穿电压 V_br 提升且器件一致性更好。此外，经过超临界流体处理的 MOS 电容内部可响应电离损伤的 Vₒ 浓度大幅减少，γ 射线辐照后边界陷阱密度 N_t 的增幅显著降低。由此可见，超临界流体预处理能够有效提升器件的 γ 射线耐受能力，具体表现为抑制辐照引发的漏电流增长，同时将击穿电压衰减幅度由 8.03% 降至 2.18%。本研究揭示了 Al₂O₃/β-Ga₂O₃  MOS 电容的辐照损伤内在机理，可为同类 MOS 结构器件的抗辐照加固设计提供理论参考。

        本研究得到国家自然科学基金（编号 12575199）、国家重点实验室稳定支持基金（编号 JBSY252800260）、中山大学光电材料与技术国家重点实验室开放课题（编号 OEMT-2025-KF-03）、中央高校基本科研业务费（编号 xtr052025030、xxj032025008、xzy012024156）资助。

图 1 (a) MOS 电容结构与样品制备示意图；(b) 不同氧化层厚度制备态与辐照后 MOS 电容的净载流子浓度深度分布

图 2 不同氧化层厚度制备态与辐照后 MOS 电容的频变 C-V 特性：(a) 50 nm、(b) 30 nm、(c) 20 nm；(d) 氧化铝相对介电常数；(e) 最大电容频散量

图 3 不同氧化层厚度制备态与辐照后 MOS 电容 C-V 滞回特性：(a) 50 nm、(b) 30 nm、(c) 20 nm；(d) 四种辐照条件下平带电压漂移量对比

图 4 选定 V−V_fb 偏置下制备态与辐照 MOS 电容的 G_p/ω 随角频率变化曲线，以及提取的界面态密度分布；(a)–(c) 50 nm 氧化铝 MOS 电容；(d)–(g) 30 nm 氧化铝 MOS 电容；(h)–(j) 20 nm 氧化铝 MOS 电容

图 5 正向偏置下不同氧化层厚度制备态与辐照 MOS 电容的 (a) 电流密度-电压、(b) 电流密度-电场、(c) ln (J)-1/E 特性曲线

图 6 Al₂O₃/β-Ga₂O₃  MOS 电容中辐照诱发电离损伤、位移损伤、局部退火效应机理示意图

图 7 有无超临界流体预处理、γ 射线辐照前后 50 nm 氧化铝 MOS 电容电学特性：(a) 净载流子浓度深度分布；(b) 边界陷阱密度；(c) 界面态密度；(d) J-V 特性；(e) 击穿电压统计分布

DOI :

 10.1063/5.0338417