【国际论文】APL丨美国空军研究实验室：基于空间分辨重离子微束的横向 Ga₂O₃ MOSFET 测试研究

        由美国空军研究实验室的研究团队在学术期刊Applied Physics Letters发布了一篇名为Spatially resolved heavy ion microprobe testing of lateral Ga₂O₃ MOSFETs（基于空间分辨重离子微束的横向 Ga₂O₃ MOSFET 测试研究）的文章。

        随着空间探测、卫星电源系统及其他高辐射环境应用的发展，功率半导体器件不仅需要具备高耐压、低导通损耗等性能，还必须能够承受空间环境中的高能粒子辐射。重离子入射可能在器件内部产生电荷沉积、缺陷及电学特性变化，其中，单粒子效应（Single-Event Effects，SEE）是影响空间电子设备可靠性的重要因素之一，严重时可能导致单粒子烧毁（Single-Event Burnout，SEB），使器件发生灾难性失效。现有研究表明，SiC和GaN功率器件可能受到重离子诱发单粒子烧毁的影响，因此，开发适用于空间应用的抗辐射功率半导体器件具有重要意义。氧化镓（Ga₂O₃）作为一种超宽禁带半导体，具有较高的理论击穿场强，并且具备成熟的块体晶体生长技术、同质外延能力及掺杂调控潜力，因此被认为是下一代高压功率电子器件的候选材料。然而，与其功率器件性能研究相比，Ga₂O₃晶体管在重离子辐照条件下的电学响应和失效机制仍缺乏充分研究。此前的相关研究主要关注垂直结构Ga₂O₃肖特基二极管，已经观察到辐照引起的漏电流增加以及单粒子烧毁现象；对于Ga₂O₃ MOSFET，已有研究通过模拟分析了重离子辐照的影响，但仍需要通过实验进一步确定器件在实际偏置条件下的响应规律、敏感区域及主要损伤机制。特别是对于横向Ga₂O₃ MOSFET，重离子入射位置不同，可能引起不同程度的电流瞬态变化；同时，器件中的栅介质、沟道、缓冲层与半绝缘衬底界面均可能影响辐照后的电学稳定性，因此，仅通过辐照前后的整体电学测量，难以准确区分不同区域对器件响应的贡献。针对这些问题，该团队采用重离子微束扫描方法，对横向β-Ga₂O₃ MOSFET开展具有空间分辨能力的原位辐照测试，使用192 MeV Ar离子和1182 MeV Au离子对器件进行单离子辐照，并以约0.5 μm的横向空间分辨率扫描器件区域，同时记录漏极电流和栅极电流随时间的变化。研究进一步结合辐照后的转移特性测试与双晶体管电学模型拟合，分析主沟道和寄生沟道的阈值电压变化，进而探讨栅介质及缓冲层—衬底界面电荷变化对器件响应的影响。该研究的核心目标是明确横向Ga₂O₃ MOSFET在重离子辐照下的敏感区域、瞬态电流变化规律和潜在失效机制，为评估Ga₂O₃功率器件在空间辐射环境中的应用潜力及后续器件结构优化提供实验依据。

        自2012年首次成功演示高品质MOSFET和MESFET以来，超宽禁带β-Ga₂O₃在电力电子应用领域受到了广泛研究。尽管β-Ga₂O₃晶体管结构在开发用于航天应用的下一代抗辐射电子器件方面至关重要，但其在重离子辐照下的测试研究却相对较少。本研究采用192 MeV氩离子和1182 MeV金离子进行单离子辐照，横向空间分辨率约为0.5 μm，旨在绘制β-Ga₂O₃ MOSFET随辐照位置变化的电学特性图谱，并确定器件中最敏感的区域。本研究确定，在施加0.83 MV/cm电场进行氩离子辐照以及施加0.07 MV/cm电场进行金离子辐照的“在役”辐照条件下，标准Ga₂O₃ MOSFET不易发生单事件烧毁。连续辐照显示，漏极电流出现瞬态增加，这与阈值电压偏移有关，其原因在于沉积的Al₂O₃介电层顶部原子层或半绝缘Ga₂O₃衬底中缺陷的产生/电离，以及随后的热松弛。对原位传输曲线数据的拟合表明，在重离子辐照下，主要效应是通过在缓冲层-衬底界面产生净正电荷而激活寄生通道。

        ①实现了横向Ga₂O₃ MOSFET在单离子辐照过程中的空间分辨电流响应测量，并识别出沟道区域对离子入射位置具有明显敏感性。

        ②通过双晶体管模型拟合辐照前后的转移特性，区分了主沟道与寄生沟道的阈值电压变化，指出寄生沟道的阈值电压漂移比主沟道更显著，是器件辐照后电学不稳定的重要来源。

        ③发现重离子辐照还可能导致栅介质形成永久性漏电通路，表明栅介质可靠性和缓冲层—衬底界面寄生沟道控制是提升Ga₂O₃ MOSFET抗辐射能力的两个关键方向。

        已确定寄生通道的激活是Ga₂O₃ MOSFET器件在重离子辐照下工作时不稳定性的主要来源。由于缓冲层与衬底界面附近形成了非平衡净正电荷（例如，被中和的Fe），导致寄生通道被激活，从而有效降低了阈值电压，并使器件更难发生夹断。栅氧化层中正电荷的产生也是原因之一，但对辐照后即时传输特性的拟合表明，由此引起的阈值电压偏移小于寄生通道引起的偏移。辐照后测试揭示了栅氧化层中形成了一条永久性漏电流路径，这表明该区域也是在重离子辐照下易受影响的区域之一。尽管存在这些挑战，但在以下条件下，这些器件未出现源极-漏极单事件漏电流和灾难性单事件击穿：器件1在漂移区施加平均电场为0.83 MV/cm的192 MeV氩离子照射下；器件3在平均电场为0.07 MV/cm的1182 MeV金离子照射下。总体而言，本研究表明Ga₂O₃晶体管在航天应用方面具有广阔前景，其主要问题在于栅氧化层相关的漏电流以及表现为阈值电压不稳定的寄生通道激活。这些问题可通过采用替代晶体管结构（如MESFET）以及优化缓冲层设计来缓解，从而减轻与衬底-缓冲层界面相关的捕获效应。

图1. (a) 制备的MOSFET结构示意图，以及具有代表性的(b)传输特性、(c)输出特性及(d)跨导。

图2. 扫描1后(a)器件1和(b)器件3的差分漏极电流分布图。箭头表示重离子辐照过程中的扫描方向。图2(b)中的红色竖线表示栅极指状结构。

图3. 器件1在(a)扫描1–4期间和(b)扫描5期间的漏极电流与栅极电流随时间的变化曲线。

图4. (a) 器件3在辐射前及每次扫描后的传输特性，以及 (b) 用于拟合传输数据的模型电路图，(c) 扫描1的拟合结果，以及 (d) 根据扫描编号提取的主通道和寄生通道的V_Th曲线。

图5。(a) 解释瞬态行为和阈值电压偏移的模型在实空间中的示意图。(b) 能带图，展示了电子从主通道和寄生通道通过衬底–缓冲层及氧化层–通道界面发射的过程，这使得漏极电流/负阈值电压偏移得以恢复，正如原位测量中所观察到的。该能带图未按比例绘制——E_F − E_V被截断，以突出传导带中具有物理意义的能垒。

DOI：

doi.org/10.1063/5.0355299