【会员论文】西安交通大学：500 MeV Kr⁺离子对NiO/β-Ga₂O₃异质结二极管的辐射效应

        由西安交通大学的研究团队在学术期刊 IEEE Transactions on Nuclear Science 发布了一篇名为  Radiation Effects of 500 MeV Kr+ ions on NiO/β-Ga₂O₃ heterojunction diodes（500 MeV Kr⁺ 离子对 NiO/β-Ga₂O₃ 异质结二极管的辐射效应）的文章。

        本研究部分由粤港澳科技合作专项资金计划（项目编号：2023A0505010012）资助，部分由国家重点实验室稳定支持基金（项目编号：JBSY252800260）资助，部分由国家自然科学基金委员会（项目编号：62204198 和 12305299）资助， 以及宽带隙半导体技术国家重点学科实验室科学研究基金（项目编号：2413S121）的部分资助。

        Β相氧化镓（β-Ga₂O₃）因其超宽禁带和高击穿场强，在航空航天等需要承受极端辐射环境的大功率应用中备受关注。空间环境中的重离子辐射会对半导体器件造成严重的位移损伤和电离损伤，引入缺陷，从而导致器件性能退化，影响其长期可靠性。p-NiO/n-β-Ga₂O₃ 异质结二极管是 Ga₂O₃ 功率器件的基本构件，研究其在重离子辐照下的性能退化行为和物理机制，对于评估其空间应用的可靠性至关重要。目前，关于能量高达数百兆电伏（MeV）的重离子对 Ga₂O₃ 异质结二极管影响的研究还相对较少。

        本研究探讨了 500 MeV Kr⁺ 离子辐照下 NiO/β-Ga₂O₃ 异质结二极管（HJDs）的原位辐射效应，辐照剂量为 1×10⁸ cm⁻²，电压为 -200 V。统计结果表明，Kr+ 离子辐照后，HJDs的正向导电性和反向阻断特性均发生退化。通过分析电流-电压特性及离子在物质中的停止和范围（SRIM）模拟结果，性能退化归因于 Kr⁺ 离子辐射在 β-Ga₂O₃ 材料中诱导的空位。一方面，Kr⁺ 辐射诱导的空位降低了 β-Ga₂O₃ 的净载流子浓度，并增加了复合电流，导致辐照后 HJD 的比电阻和理想因子升高。另一方面，Kr+离子辐射后，在导带下方 1.07 ± 0.01 eV 处形成了一个与氧双空位相关的陷阱，该陷阱增强了 Poole-Frenkel（PF）发射过程，导致辐照后 HJD 在 −300 V 以上的漏电流显著增大。这些结果为理解基于 β-Ga₂O₃ 的空间应用器件中的辐射损伤和性能退化机制提供了宝贵见解。

        本文报告了 500 MeV Kr⁺ 离子辐射对偏压为 −200 V 的 NiO/β-Ga₂O₃ HJDs 的辐射效应，辐射剂量为 1 × 10⁸ cm⁻²（辐射通量为 2 × 10⁴ cm⁻² ·s ⁻¹）。统计结果表明，HJD 的正向导电性和反向阻断特性在 Kr⁺ 离子辐射后发生退化。一方面，辐射产生的缺陷（空位，约 3 × 10¹⁴ cm⁻³，由 SRIM 测得）作为复合中心，导致净载流子浓度降低 （2.8 × 10¹⁶–1.9 × 10¹⁶ cm⁻³）的 Ga₂O₃，载流子去除率为 9 × 10⁷ cm⁻¹，理想因子 η（1.88–2.14）增加，以及特定导通电阻 R_on,sp。另一方面，辐照 HJD 在 −300 V 以上的增强漏电流源于 β-Ga₂O₃ 外延层中由 2V_OI 缺陷诱导的 TA-BTBT、BTBT 和 PF 发射的协同传输机制，其深能级状态位于导带下方(1.07 ± 0.01) eV。此外，随着温度升高，辐照 HJD 的正向电流主要由扩散电流主导，且参考样品与辐照 HJD 之间的 η 值差异减小。辐照 HJD 的 V_br 从 1000 V 降至 800 V，进一步证实了辐射诱导缺陷对器件性能的影响。

图1. (a) NiO/β-Ga₂O₃ HJDs的制备过程。 (b) 原位辐照实验的示意图。

图2. (a) 参考样品（初始HJD和电应力HJD，电应力为−200 V/5000 s）及300 K下辐照HJD的典型正向I-V特性曲线；插图显示了2.1–2.5 V范围内放大后的I-V曲线。 (b) 阴极电压下的dV/dJ曲线。(c) 参考HJD和辐照HJD在半对数坐标系下的正向I-V特性曲线。(d) 参考HJD和辐照HJD的理想因子（η）和比导通电阻（R_on,sp）的箱线图。

DOI：

doi.org/10.1109/TNS.2025.3572942