【国际论文】美国俄亥俄州立大学：电场诱导载流子恢复及辐射引入缺陷在 β-Ga₂O₃ 中的热稳定性

        由美国俄亥俄州立大学的研究团队在学术期刊 APL Materials 发布了一篇名为 Electric field-induced carrier recovery and thermal stability of radiation-induced defects in β-Ga₂O₃（电场诱导载流子恢复及辐射引入缺陷在 β-Ga₂O₃ 中的热稳定性）的文章。

        β-Ga₂O₃ 作为一种超宽禁带半导体（4.8 eV），凭借其高击穿场强和优异的 Baliga 优值，被视为下一代高压、射频及航天应用的核心材料。其高键能和高原子位移能赋予了材料在极端条件下的潜在稳定性，使其在空间、核设施等高辐照环境中表现出优异的抗辐射能力。已有研究表明，在质子和中子辐照下，β-Ga₂O₃ 的载流子移除率仅为 GaN 的约一半，显示出显著的位移损伤耐受性。然而，尽管已有学者识别出辐照引入的主要深能级缺陷态，这些缺陷在交变电场及高温工作条件下对器件性能的具体影响仍缺乏深入研究。后辐照热退火常用于揭示缺陷迁移与反应动力学，帮助理解缺陷对电子输运的作用。但现有 β-Ga₂O₃ 的退火研究多停留在整体载流子恢复行为，通常仅给出一个净的激活能（~1.2 eV），难以揭示不同缺陷在载流子移除与恢复中的相对重要性，从而限制了对辐照损伤机制的精确建模。另一方面，超宽禁带半导体在强电场下更易发生重离子辐照引起的单粒子烧毁（SEB），β-Ga₂O₃ SBD 在重离子作用下表现出明显脆弱性，这凸显了研究缺陷在电场驱动下的再激活与迁移机制的重要性。 基于此，本研究聚焦于质子辐照后 β-Ga₂O₃ 肖特基二极管的缺陷态生成与载流子恢复动力学，系统比较了热退火与电压应力对载流子恢复的作用，并结合 DLTS/DLOS 技术定量分析各类缺陷态的行为，为建立更精确的器件性能预测模型提供基础。

        本研究探讨了质子辐照及其后载流子移除与恢复机制对 β-Ga₂O₃ 肖特基二极管的影响。通过电压应力和热退火实现了载流子恢复，为缺陷迁移与载流子补偿机制提供了新见解。在室温下施加电压应力可实现部分载流子恢复，而在 400 °C 无外加电压的条件下则可实现完全恢复。利用深能级瞬态（热）/光谱（DLTS/DLOS）分析发现了辐照引入的关键缺陷态，分别位于 E_C−0.34 eV、E_C−0.6 eV、E_C−0.7 eV、E_C−1.2 eV 和 E_C−2.0 eV，其中 E_C−2.0 eV 是主要的补偿陷阱。 200–400 °C 的等时退火结果表明，这些陷阱的热去除激活能范围为 0.3–1.2 eV。值得注意的是，载流子移除量与辐照后陷阱浓度增加之间存在差异，即陷阱的引入速率滞后于载流子移除速率。尽管这种额外的载流子移除机制尚未明确，且似乎与 DLTS 和 DLOS 检测到的缺陷补偿无关，但其热恢复过程可用一阶反应动力学模型描述，热激活能为 1.0 ± 0.1 eV。 有趣的是，该激活能对耗尽区电场强度非常敏感：在 305 K 下电场仅为 0.2 MV/cm 时，激活能降至 0.13 eV。这表明电场诱导的迁移在载流子移除过程中起到了重要作用。

图 1. (a) 质子照射前后样品的电容-电压 (C–V) 测量得到的离子化掺杂浓度分布，显示载流子移除率 (CRR) 为 585 ± 15 cm^-1。(b) 照射前后通过低频电容 (LCV) 和深能级瞬态谱 (DLTS) 测得的缺陷态浓度汇总。(c) 直方图比较了移除的载流子浓度（由 C–V 测得）与照射后电活性陷阱总浓度（由 DLTS 和 LCV 测得，红色表示），其中 E_C−2.0 eV 能级的贡献用红色虚线突出，显示其主导作用。长方图揭示了测得的陷阱浓度与载流子总损失之间的显著差异，即额外载流子移除现象。

图2 (a) 在速率窗口为 0.8 s^-1 下测得的 DLTS 光谱。(b) 通过 DLOS 测量得到的 SSPC 光谱，对比了照射前、照射后以及照射后在不同温度下退火 5 分钟后的情况。(c) E_C−2.0 eV 态的陷阱浓度拟合到一阶反应动力学模型，热激活能为 1.1 ± 0.1 eV。

DOI：

doi.org/10.1063/5.0288341