【国内论文】β-Ga₂O₃如何应对太空辐射？浙江理工大学郭道友教授团队系统解析损伤机制与抗辐照策略

        由浙江理工大学郭道友教授的研究团队在学术期刊 Journal of Applied Physics 发布了一篇名为 Radiation effects in β-Ga₂O₃-based devices: From atomic-scale damage to radiation hardening strategies（基于 β-Ga₂O₃ 器件中的辐射效应：从原子尺度的损伤到抗辐射强化策略）的文章。

        深空探测、高可靠航天器、核工业特种电子系统的快速迭代，对可耐受极端空间辐照环境的半导体电子元器件提出了刚性需求。超宽禁带半导体凭借超高击穿场强、优异紫外响应特性，成为航天功率器件、日盲紫外探测器的核心候选材料，其中 β-Ga₂O₃ 凭借 4.8–4.9 eV 超宽禁带、理论临界击穿场强可达 8 MV/cm，巴利加优值远超 SiC、GaN，同时可通过熔体法制备大尺寸单晶，量产成本更低，兼具高压功率器件与 200–280 nm 日盲探测双重应用价值，在导弹预警、星间通信、火焰检测等军民场景具备巨大潜力。

        但近地轨道、范艾伦辐射带、银河宇宙射线、太阳宇宙射线构成复杂空间辐照场，包含质子、中子、重离子、γ 射线多类高能粒子，持续轰击 Ga₂O₃ 器件会诱发单粒子效应、位移损伤、总电离剂量效应三类核心失效：高能粒子撞击晶格产生弗伦克尔缺陷、深能级陷阱，持续捕获载流造成载流移除、导通电阻上升；重离子局域强电离引发瞬时大电流与焦耳热累积，发生单粒子烧毁；长期电离累积破坏半导体/介质界面，造成漏电、击穿电压衰减。

        目前学界对 β-Ga₂O₃ 辐照损伤研究多聚焦块材本征缺陷表征，缺少从原子晶格损伤跨尺度关联器件电学、光电失效的系统性综述；现有辐照实验大多采用单一辐照源、单一注量/能量，不同晶向、偏置、温度耦合下的协同损伤机理缺乏统一框架，也未系统梳理沟槽结构、相工程、电扫描修复等抗辐照工程化方案，限制了 β-Ga₂O₃ 在航天、核辐射严苛场景的落地应用，因此本文开展跨尺度系统性综述，打通基础原子物理与器件抗辐照工程设计。

        β-Ga₂O₃ 具备超宽禁带与高临界电场，已成为空间功率电子与日盲紫外光电探测器的热门候选材料。其理论击穿场强远超 SiC 与 GaN，是高压高效率功率器件的理想载体。但空间环境中长期暴露于质子、中子、重离子与 γ 射线会诱发单粒子效应、位移损伤、总电离剂量效应，造成器件性能逐步衰退甚至毁灭性失效。因此厘清辐照损伤物理本源、系统阐明器件失效演化规律、开发高效抗辐照策略成为该领域核心难题。本综述以缺陷与载流的相互作用为核心机制，从位移阈值能各向异性、碰撞级联动力学出发，建立关键缺陷与器件性能衰退间的物理关联；深入分析单粒子烧毁中电场集中与热累积的协同效应、位移损伤下深能级陷阱对载流寿命的调制作用、总电离剂量下偏置条件与温度对界面退化的耦合影响；基于上述机理总结深沟槽结构、相工程、电扫描修复等抗辐照技术，搭建衔接基础物理与工程实用方案的完整体系，为航天、核场景下高可靠 Ga₂O₃ 器件设计提供理论支撑。

        ① 跨尺度完整框架：首次搭建从原子晶格损伤（位移阈值各向异性、碰撞级联、点缺陷演化）→器件级多类辐照失效（单粒子烧毁、位移载流移除、TID 界面损伤）→工程抗辐照方案的全链条统一分析框架，弥补过往综述仅聚焦块材缺陷、缺少器件失效关联的短板。

        ② 多器件分型机理解析：区分肖特基二极管 SBD、NiO/Ga₂O₃ 异质结二极管 HJ、增强型 MOSFET 三类主流功率器件，分别揭示各自单粒子烧毁差异化微观机理，阐明重离子、质子、中子诱发单粒子烧毁的直接/间接两种路径。

        ③ 多辐照源差异化损伤规律系统归纳：厘清质子（低能修复/高能损伤二元效应）、中子（高注量晶格非晶化）、电子（简单弗伦克尔对）、γ 射线（辐照退火/偏置耦合损伤）四类粒子完全不同的缺陷演化与器件调控行为，建立载流移除速率、缺陷能级的完整数据对比体系。

        ④ 多维度耦合损伤机制：系统梳理晶向各向异性、工作偏置、环境温度对辐照缺陷生成、扩散、复合的协同调控作用，解释 (010)/(-201) 等不同衬底器件辐照耐受性差异的原子本源。

        ⑤ 系统汇总三类可工程化抗辐照技术：器件深沟槽孔结构空穴泄流设计、材料多相/掺杂/晶向本征抗辐照改性、辐照后电学扫描低温修复工艺，并提出金刚石/Ga₂O₃ 复合超宽禁带体系作为下一代高抗辐照器件发展方向。

        该团队系统整合 β-Ga₂O₃ 功率与光电器件在复杂辐照环境下的响应规律，搭建从原子尺度损伤到宏观器件性能衰退、再到抗辐照策略的跨尺度知识体系。原子层面明确位移阈值能各向异性是 β-Ga₂O₃ 辐照损伤的物理基础，系统归纳各类辐照点缺陷，确认与镓空位相关的 E2* 陷阱是载流移除、器件衰退的核心诱因；器件层面深入解析不同辐照源下失效机理，单粒子烧毁源于重离子入射引发局域强电离与焦耳热累积，位移损伤与总电离剂量效应依靠累积深能级缺陷持续劣化电学特性，同时低能质子、γ 射线等特定辐照条件下可观测到氢钝化、辐照退火带来的器件性能提升；进一步探究辐照对异质结、介质层、材料光热性能的多维影响，揭示损伤复杂性；最后汇总器件结构优化、材料本征改性、辐照后修复三类主流抗辐照技术。上述成果为航天场景高可靠 β-Ga₂O₃ 器件设计提供重要参考。

        本研究得到国家自然科学基金（编号：U23A20349、62274148、62374147）、杭州市自然科学基金（编号：2024SZRZDF040001）资助。

图 1 空间辐照环境下 Ga₂O₃ 器件三类主要损伤效应示意图

图 2 β-Ga₂O₃ 晶体结构，包含两种不等价镓格位（Ga₁、Ga₂）与三种不等价氧格位（O₁、O₂、O₃）

图 3 富氧 (a)、富镓 (b) 条件下单空位缺陷形成能随费米能级的变化曲线

图 4 不同反向偏压下 Kr 离子辐照期间器件漏电流随时间变化关系

图 5 300 V (a)、500 V (b) 偏压下发生单粒子烧毁的 β-Ga₂O₃ 肖特基二极管热失效分析结果，阳极半径分别为 700 μm、500 μm；(c) 500 V 偏压器件 OBIRCH 失效定位图，(d) 烧毁点位 SEM 图（烧毁处形成圆形孔洞）；(e) 失效区域 1–5 号位 FIB 剖切截面，(f)(g) FIB 剖切过程中 1–5 号位详细截面形貌，(h) 烧毁点位放大图

图 6 (a) 辐照后异质结二极管光学照片；(b) 发射显微图显示与局域损伤区对应的高亮发光点位；(c) 器件中心至边缘剖切截面示意图，对应切片形貌 (d)–(f)；烧毁通道贯穿外延层直达高掺杂衬底，呈中间窄、上下宽的沙漏形貌；向边缘逐层剖切 (e)(f) 可见烧毁损伤集中于顶部 p-NiO/n⁻-Ga₂O₃ 异质结区域（一区）与底部 n⁻-Ga₂O₃/n⁺-Ga₂O₃ 体结区域（二区）

图 7 (a) 300 MeV 质子轰击 β-Ga₂O₃ 肖特基二极管产生次级离子的能量分布，(b) 次级离子 LET 分布；(c) NiO/β-Ga₂O₃ 异质结二极管 EMMI 发光图，(d) 器件表面烧毁点位 SEM 图，(e) 器件表面异常发光斑点，(f) 烧毁点位截面图，最大深度 17.34 μm

图 8 (a) 辐照前 (HVPE_BI)、辐照后 (HVPE_AI) (001) 取向氢化物气相外延 Ga₂O₃ 薄膜 XRD 图谱，(b) (002) 峰摇摆曲线；(c) 衬底基外延层辐照前后 XRD 图谱，(d) (002) 摇摆曲线；(e)(f) 辐照前后肖特基二极管高分辨 TEM 与 FFT 单晶衍射图；(g) 沿红色箭头线 EDS 元素扫描，证明 TEM 条纹由中子辐照引发镓氧原子比例差异导致；(h) HVPE_SUB_AI 样品 TEM 形貌

图 9 (a) β-Ga₂O₃ 肖特基二极管截面结构示意图；(b) 半对数坐标正向电流密-电压曲线与比导通电阻-电压特性；(c) 器件反向 J-V 特性；(d) γ 射线辐照前后 C-V 提取净电离掺杂浓度深度分布

图 10 (a) β-Ga₂O₃ 肖特基二极管截面结构示意图；(b) 半对数坐标正向电流密-电压曲线与比导通电阻-电压特性；(c) 器件反向 J-V 特性；(d) γ 射线辐照前后 C-V 提取净电离掺杂浓度深度分布

图 11 1 Mrad (Si) γ 射线、100 Hz 条件下不同温度辐照后 β-Ga₂O₃ 肖特基二极管低频噪声曲线，Before 代表未辐照器件

DOI : 

10.1063/5.0335481