【会员论文】四川大学杨治美副教授团队揭示O₂退火与离子辐照协同调控机制，助力β-Ga₂O₃功率器件可靠性提升

        由四川大学杨治美副教授研究团队在学术期刊IEEE Transactions on Electron Devices发表了一篇题为Synergistic Effects of Oxygen Annealing and Low-fluence Kr Ion Irradiation on 4H-SiC and β-Ga₂O₃（O₂退火与低注量Kr离子辐照对4H-SiC和β-Ga₂O₃肖特基势垒二极管的协同效应）的文章。

        宽禁带半导体4H-SiC与超宽禁带半导体β-Ga₂O₃凭借高临界击穿电场、宽禁带以及优异的高温高压工作潜力，已成为下一代高功率电子器件的重要候选材料。其中，肖特基势垒二极管（SBD）具有结构简单、开关速度快等优势，在航空航天电源、核电子学及粒子探测等极端辐射环境中具有广阔应用前景。然而，其M-S界面和体内深能级缺陷对高能粒子辐照十分敏感，容易引起理想因子增大、载流子浓度降低及漏电流上升等问题，严重制约器件的长期可靠性。

        传统研究通常将辐照视为导致器件性能退化的诱因，但近年来的研究表明：适当低注量重离子辐照可通过调控界面态和缺陷电荷分布，反而有助于改善器件的正向导通特性和反向漏电特性。与此同时，O₂退火可通过减少4H-SiC界面缺陷，并有效补偿β-Ga₂O₃中的氧空位 (Vₒ)，从而提升材料质量和器件性能。然而，目前学术界对O₂退火与低注量重离子辐照协同作用下，界面缺陷、体缺陷及载流子输运行为的演化规律尚缺乏系统认识，尤其缺少在相同处理条件下对4H-SiC与β-Ga₂O₃器件改善机制的直接对比。这限制了针对不同宽禁带材料开展差异化工艺优化，也制约了高可靠功率器件在极端辐射环境中的进一步应用。

        本研究系统揭示了O₂退火与低注量Kr离子辐照协同调控4H-SiC和β-Ga₂O₃ SBD电学性能的作用机制。首先，两类垂直结构SBD进行350 ℃、30 min的O₂退火，随后在室温、零偏压条件下进行能量为429.4 MeV、注量为1×10⁷ ions/cm²的Kr离子辐照。协同处理后，两类器件均表现出正向导通能力增强、比导通电阻降低以及反向漏电流减小：4H-SiC SBD在3 V正向偏置下的电流密度提高至8.28 A/cm²，在40 V反向偏压下的漏电流密度降低至2.94×10⁻⁷ A/cm²；β-Ga₂O₃ SBD的正向电流密度提高近两个数量级，增至0.51 A/cm²，反向漏电流密度降低近两个数量级，降至1.6×10⁻⁸ A/cm²。通过高频C-V测试、界面态密度 (N_SS)提取和深能级瞬态谱（DLTS）分析，研究结果表明两类器件均表现出相似的性能改善，但其主导机制存在显著差异。对于4H-SiC器件，协同处理使M-S的N_SS降低约74%，从而缓减了费米能级钉扎和势垒不均匀性，抑制界面复合及陷阱辅助输运过程；与此同时，体内Z_1/2缺陷浓度未发生显著变化，表明器件性能的改善主要来源于界面质量的提升。相比之下，β-Ga₂O₃器件的N_SS基本保持不变，但其特征能级由导带下方0.14-0.16 eV向更深的0.18-0.20 eV区间迁移；同时，Vₒ相关的E2缺陷浓度降低约92%，E3缺陷峰消失，从而有效抑制了缺陷辅助导电和载流子激发过程，并提高了肖特基势垒高度。在此基础上，本研究构建了适用于不同宽禁带材料的协同调控框架：4H-SiC性能提升主要源于界面钝化，而β-Ga₂O₃则主要依赖于Vₒ相关体缺陷的钝化与界面态能级重分布，为宽禁带功率器件的工艺优化，以及器件在航空航天、核电子等极端辐射环境中的可靠应用提供了重要依据。

        ①建立了在相同工艺与辐照条件下，4H-SiC和β-Ga₂O₃ SBD的直接对比研究框架。综合采用SRIM模拟、I-V/C-V测试、DLTS及TCAD等多维度表征与仿真手段，建立了“辐照能量沉积—微观缺陷演化—宏观电学响应”之间的关联分析框架，从物理本质上阐明了相同外部条件对两种宽禁带材料产生差异化作用的内在机制。

        ②揭示了4H-SiC与β-Ga₂O₃两类SBDs性能改善的物理根源。前者的性能改善以界面态调控（N_SS降低约74%）为主导，从而有效缓解费米能级钉扎效应与势垒不均匀性；后者的性能改善则源于与Vₒ相关点体缺陷钝化（E2缺陷浓度降低约92%）与界面态能级深移（0.14~0.16 eV→0.18~0.20 eV）的协同作用，二者分别抑制陷阱辅助漏电和场增强输运通道，从机制层面阐明了正/反向电学特性的协同优化的内在原因。

        ③基于上述作用机制的差异，提出了面向不同材料的针对性优化策略。4H-SiC应侧重界面工程优化，β-Ga₂O₃侧重体缺陷钝化与界面态能级调控。上述策略为极端辐射环境下宽禁带功率器件的可靠性提升提供了明确的技术路径。

        综上所述，本研究系统阐明了O₂退火与低注量Kr离子辐照对4H-SiC和β-Ga₂O₃垂直SBDs电学性能及缺陷演化的协同调控机制。经350 ℃、30 min的O₂退火和能量为429.4 MeV、1×10⁷ ions/cm²的Kr离子辐照协同处理后，两类器件的正向导通能力均得到增强，串联电阻和反向漏电均显著降低。其中，4H-SiC器件在3 V正向偏置下的电流密度提高至8.28 A/cm²，串联电阻由0.18 Ω·cm²降至0.13 Ω·cm²，在40 V反向下，漏电流密度降至2.94×10⁻⁷ A/cm²；β-Ga₂O₃器件的正向电流密度提升近两个数量级，达到0.51 A/cm²，串联电阻由103.86 Ω·cm²大幅降至3.03 Ω·cm²，反向漏电流密度降低近两个数量级，降至1.6×10⁻⁸ A/cm²。结合高频C-V测试、N_SS提取、DLTS分析和TCAD模拟，本研究进一步揭示了两种材料性能改善机制方面的显著差异。对于4H-SiC器件，N_SS降低约74%，而Z_1/2体缺陷浓度未发生显著变化，表明其性能提升主要归因于M-S界面质量改善，以及由此引起的界面复合与陷阱辅助输运抑制和势垒不均匀性的缓减。对于β-Ga₂O₃器件，N_SS基本不变，但其特征能级向导带下方更深位置迁移，同时Vₒ相关E2缺陷浓度降低约92%，E3缺陷消除，从而抑制缺陷辅助导电，并提高有效肖特基势垒。研究表明，尽管协同处理均可改善两类器件的整流性能，但二者的主导机制存在明显差异。该研究结果为极端辐射环境下宽禁带功率器件的差异化工艺优化与可靠性设计提供理论依据和技术参考。

图1. 4H-SiC SBD的(a)正向导通特性及导通电阻, (b)提取的相关电学参数和 (c) 反向漏电流; (d), (e)和(f) 依次为β-Ga₂O₃ SBDs相应的测试结果和提取的相关电学参数。

图.2 N_SS~E_C-E_SS关系: (a) 4H-SiC和 (b) β-Ga₂O₃ SBDs。

图3. 4H-SiC SBD的(a)DLTS谱和(b) 阿伦尼乌斯图；β-Ga₂O₃ SBDs的(c) DLTS谱和(d)Arrhenius图。

DOI:

doi.org/10.1109/TED.2026.3718393