【会员论文】四川大学：通过质子辐照和退火增强垂直β-Ga₂O₃肖特基势垒二极管的电学性能的协同机制

        本研究得到国家自然科学基金的资助，Grant No. 61974096。

        β-氧化镓（β-Ga₂O₃）具有优异的性能，包括4.8-4.9 e 的超宽带隙（UWBG）、8 MV/cm 的高击穿电场强度、3444 的 Baliga 优值。这些特性使其成为开发各种 β-Ga₂O₃ 功率器件的关键材料，例如肖特基势垒二极管（SBD）、结势垒肖特基二极管（JBS）、金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）、异质结二极管、深紫外光电探测器以及忆阻器。此外，Ga 和 O 位移能分别为 25 eV 和 28 eV，使其适用于恶劣的辐照环境。在航空航天应用中，将 β-Ga₂O₃ 的功率半导体器件集成到电源和系统中，可显著提升效率并缩小系统体积，为未来航空航天电力电子的发展提供了广阔的应用前景。

        本研究展示了质子辐照后退火处理提升垂直 β-Ga₂O₃ SBD 电学性能的效果，并探讨了其物理机制。初步实验表明，SBD 在 5 MeV 质子辐照后其整流特性显著退化。经过辐照后退火处理的器件（D1-A500）表现出载流子浓度（N_D）降低 72.1%，而击穿电压（BV）提升124.5%。深能级瞬态谱（DLTS）分析结果显示，质子辐照及后续退火导致受主陷阱 E2*（E_C-0.74 eV）浓度增加，并产生了新的缺陷峰 E2（E_C-0.86 eV），该缺陷可能与氧替位缺陷（O_GaII）有关。通过技术计算机辅助设计（TCAD）模拟证实，载流子浓度降低有助于提升器件的击穿电压。

本研究阐明了质子辐照对垂直 β-Ga₂O₃ SBD 性能的影响，并强调退火处理在器件性能恢复中的关键作用，为其在辐射环境下的应用提供了重要参考。

        ● 确定了高注量的质子辐照会导致 β-Ga₂O₃ SBDs 性能显著退化，而 500 °C 退火处理能够在很大程度上恢复辐照后器件的性能。

        ● 通过比较辐照与未辐照器件在退火前后的电学特性，揭示了辐照损伤与退火修复对器件性能的影响机理。

        ● 辐照后经退火处理的 SBD N_D 降低，导致 BV 提升。

        本研究系统探讨了 5 MeV 质子辐照及退火处理对垂直 β-Ga₂O₃ SBDs 电学特性的影响。实验结果表明，质子辐照显著退化 β-Ga₂O₃ SBDs 的电学特性，但经过 500 °C 退火处理后，辐照器件的整流特性得以恢复。质子辐照引入界面态，导致肖特基势垒高度（Φ_B）升高；而 500 °C 退火处理则改善金属-半导体（MS）接触性能，降低了接触电阻（R_Contact）。此外，界面态可能促进隧穿效应，导致反向漏电流（I_R ) 值增大，并引起势垒非均匀。N_D对质子辐照诱导的 E2* 缺陷表现出显著响应，且退火处理可有效减弱该效应。在 E_C-0.87 eV 处观察到新缺陷峰可能与 O_GaII 缺陷相关。这些结果为 β-Ga₂O₃ SBDs 的器件可靠性研究提供了宝贵的理论依据和实验参考。

图1. (a)、(b) 和 (c) 为D1、D2和D3的线性J-V特性曲线，(d)、(e)和(f)为D1、D2和D3的半对数J-V特性曲线。插图为本工作中使用的β-Ga₂O₃ SBDs的二维结构示意图。

图2. 频率为1 MHz时(a)辐照器件和(b)未辐照器件的C(1/C²)-V特性曲线。

DOI：

doi.org/10.1063/5.0278203