【国内论文】工信部电子五所：重离子辐照导致β-Ga₂O₃肖特基势垒二极管发生单粒子烧毁现象

        工信部电子五所雷志锋研究员团队在学术期刊Applied Physics Letters 发布了一篇名为 Single-event burnout in β-Ga₂O₃ Schottky barrier diode induced by heavy ion irradiation（重离子辐照导致 β-Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管发生单粒子烧毁现象）的文章，马腾高级工程师为该文章的第一作者。

        本研究部分由国家自然科学基金（项目编号：12305299）资助，部分由新疆维吾尔自治区2023年度“天池英才计划”（项目编号：2024000057）资助。

        β-氧化镓（β-Ga₂O₃）因其超宽禁带和高击穿场强等优异特性，在航天等领域的功率电子应用中备受关注。在空间辐射环境中，器件会遭受高能重离子的轰击。当器件处于高反向偏压工作状态时，单个重离子的入射可能引发单粒子烧毁，这一失效模式会在极短时间内导致器件发生灾难性、不可逆的永久性损坏尽管已有关于 Ga₂O₃ 器件在重离子辐照下 SEB 行为的初步报道，但针对不同种类重离子（尤其是不同线性能量转移值，LET）的系统性实验研究仍然匮乏，其详细的物理失效过程和关键触发条件尚未完全明晰。深入揭示 SEB 的物理机制，对于评估 Ga₂O₃ 器件在空间等复杂辐射环境中的可靠性，并指导其抗辐照加固设计，具有重要意义。

        本研究系统探究了重离子辐照下 β-Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管的单粒子烧毁（SEB）效应。实验采用线性能量转移（LET）值分别为 99.7、75 和 37 MeV/(mg·cm²) 的 Bi、Ta 和 Kr 离子。结果表明，SEB 阈值电压随 LET 值增加而降低，显示出其对能量沉积的强烈依赖性。此外，反向偏压被确认为引发 SEB 的关键条件，只有在所施加电压足够高、能够触发热失控并造成不可逆损伤时，SEB 才会发生。为进一步阐明失效机制，研究团队选取 Kr 离子进行了详细分析。计算机辅助设计（TCAD）模拟结合扫描电子显微镜（SEM）失效分析结果表明，瞬态浪涌电流可迅速提升局部温度，一旦温度达到 Ga₂O₃ 材料的熔点，即会触发不可逆热失效并引发 SEB。此外，失效点主要分布在肖特基结边缘区域，表明该处为器件的敏感区域。这些发现揭示了超宽禁带器件中 SEB 对 LET 和反向偏压的依赖关系，并为抗辐照加固设计提供了重要参考。

        本研究通过结合实验测试与不同线性能量转移（LET）条件下的计算机辅助设计（TCAD）模拟，系统揭示了重离子辐照诱发 β-Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管（SBD）单粒子烧毁（SEB）效应的物理机制。结果表明，SEB 的触发不仅取决于入射离子的 LET 值，还与所施加反向偏压的大小密切相关。高 LET 离子因能量沉积集中，往往能在较低电压下诱发 SEB；而低 LET 离子则需更高偏压才能达到临界失效阈值。光发射显微镜（EMMI）分析确认烧毁点主要分布在肖特基结边缘区域。进一步的聚焦离子束–扫描电子显微镜（FIB-SEM）分析表明，SEB 过程中的热失控会导致灾难性的结构损伤，该损伤可延伸至外延层之外并深入部分衬底，形成明显的垂直烧毁路径。这些发现为提升基于 Ga₂O₃ 材料、工作于恶劣环境下的功率器件的热稳定性和抗辐照能力提供了重要的理论依据与设计指导。

图1. (a) β-Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管的横截面示意图；(b) 重离子辐照测试环境的配置图。插图：β-Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管的实物照片。

图2. 在不同反向偏压下，Kr离子辐照过程中器件漏电流与时间的关系。

图3. β-Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管器件在不同重离子辐照条件下，于各自烧毁电压下的时间依赖性漏电流曲线。

图4. 氪离子辐照后经历单粒子烧毁（SEB）的器件。（a）EMMI 图像；（b）失效区域的 SEM 图像。

图5. TCAD 模拟结果显示 β-Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管在不同反向偏压下，于 (a) 和 (d) 铋离子、(b) 和 (e) 钽离子、(c) 和 (f) 氪离子辐照期间，瞬态电流与晶格温度随时间变化的函数关系。

图6. 在 450 V 反向偏压下，氪离子入射时 β-Ga₂O₃肖特基势垒二极管中 (a) 电场、(b) 电流密度和 (c) 温度的时域演变。

图7. 在 450 V 反向偏压下，氪离子撞击 β-Ga₂O₃肖特基势垒二极管（SBD）时沿离子轨迹诱导的模拟电场分布。

DOI：

doi.org/10.1063/5.0291799