【国内论文】南京大学＆哈尔滨工业大学---对1.4 kV辐照硬化β-Ga₂O₃异质结势垒肖特基二极管的性能分析

        由南京大学与哈尔滨工业大学的研究团队合作，在学术期刊 IEEE Electron Device Letters 发布了一篇名为1.4-kV Irradiation-Hardened β-Ga₂O₃ Heterojunction Barrier Schottky Diode Under 10⁷ ions/cm² Fluence and 82.1 MeV⋅cm²/mg LET Environments（1.4 kV 辐照硬化 β-Ga₂O₃ 异质结势垒肖特基二极管在 10⁷ ions/cm² 辐照剂量和 82.1 MeV·cm²/mg 线性能量通量（LET）环境下的性能分析）的文章。

        本研究部分由中国国家重点研发计划（项目编号：2022YFB3605403）资助；部分由江苏省科技重大项目（项目编号：BG2024030）资助；部分由江苏省重点研发计划（项目编号：BE2023007-4 和 BK20232045）资助；部分由国家自然科学 基金（项目编号：62425403、62234007、62293522、62304102、U21A2071和U21A20503）；以及部分由中国兵器工业集团有限公司激光器件技术重点实验室开放基金资助（资助编号KLLDT202303）。

作者谨此致谢空间环境地面模拟装置（SESRI）及哈尔滨工业大学空间环境与物质科学研究院提供的辐照设施及技术支持。

        β-氧化镓（β-Ga₂O₃）因其超宽禁带和高击穿场强等优异特性，被认为是制造下一代功率器件的理想材料，特别是在航空航天、核能等需要承受极端辐射环境的应用中。评估和提升 Ga₂O₃ 器件的抗辐照能力，特别是抗重离子辐照的能力，对于其在空间等关键领域的应用至关重要。重离子能够在线性路径上产生极高的能量沉积，对半导体器件造成严重的单粒子效应，如单粒子烧毁。传统的肖特基势垒二极管（SBD）在反向偏压下，其界面处存在高电场，容易因重离子轰击而产生局部雪崩，导致器件失效。异质结势垒肖特基二极管或结势垒肖特基二极管是一种先进的器件结构。通过在肖特基接触下方嵌入 p 型区，来屏蔽界面电场，从而降低漏电流并提高器件的耐用性，理论上也能提升其抗辐照能力。目前，关于 Ga₂O₃ 器件在极高线性能量转移值和高注量重离子辐照下的表现，特别是关于实验验证方面还非常有限。

        空间环境中重离子辐照引起的单事件烧毁（SEB）对航空航天功率电子器件构成重大威胁。本研究展示了具有卓越SEB性能的辐照硬化 β-Ga₂O₃ 异质结势垒肖特基（HJBS）二极管。该器件设计采用了微米级深沟槽，沟槽内填充p型镍氧化物（NiO），并采用高介电常数 BaTiO₃ 场板（FP）边缘终止结构。该架构通过嵌入式 Ni/p-NiO 沟槽结构以低欧姆接触电阻高效提取单事件辐照诱导的正电荷（空穴），显著缓解电荷聚集，同时通过战略性设计的电荷排水通道最小化非均匀电场分布。因此，HJBS 器件实现 SEB 电压超过 1.4 kV，SEB 退化率仅为 9.6%。这是首次实现千伏级辐射硬化的二极管，其性能指标在碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化镓（Ga₂O₃）和硅（Si）功率二极管中目前报道的最佳水平。这项工作凸显了氧化镓功率二极管在辐射功率应用中的巨大潜力。

        ● 首次通过实验验证了 β-Ga₂O₃ 功率器件在极高 LET 值（82.1 MeV·cm²/mg）和高注量（10⁷ ions/cm²）重离子辐照环境下的抗辐照加固能力。

        ● 成功地将异质结势垒肖特基（HBS）结构与离子注入保护环相结合，作为一种有效的抗辐照加固设计策略，并证明其能够有效抑制 SEB。

        ● 在极端的辐照条件下，实现了 1.4 kV 的高耐压，展示了 β-Ga₂O₃ 器件在未来空间和核应用中的巨大潜力。

        NiO/β-Ga₂O₃ HJBS 通过协同设计展现出卓越的辐射耐受性：低电阻 Ni/NiO 填充沟槽实现高效空穴电荷消散，而 BaTiO₃ 场板则缓解边缘电场拥挤。该优化架构实现了创纪录的 VSEB 值 1436 V，并在 82.1 MeV·cm²/mg 的能量下承受 10⁷ 次重离子轰击后，SEB 退化率仅为 9.6%，这凸显了 β-Ga₂O₃ 在极端环境下用于辐射硬化型电力电子器的巨大潜力。

图1. (a) IH 型和(b) C-Ga₂O₃ 二极管的示意图。 (c) 提出装置的顶视扫描电子显微镜（SEM）图像，以及对应的截面 SEM 图像，包括 (d) 终端结构和 (e) 活性区域中的沟槽。(f) 部分放大视图 (e) 中 Ga、Ni、Ti 和 Au 的能量色散光谱仪 (EDS) 元素映射图像。

图2. (a) 在10⁷ ions/cm² 辐照条件下器件的SEB特性。 (b) 在各自的通量条件下 V_SEB 与LET的对比。

DOI：

doi.org/10.1109/LED.2025.3553579