【会员论文】四川大学：新型β-Ga₂O₃肖特基势垒二极管的单粒子效应与辐射加固设计

        由四川大学的研究团队在学术期刊 Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms 发布了一篇名为 A novel single event effect radiation hardening design in β-Ga₂O₃ Schottky barrier diodes（新型 β-Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管的单粒子效应与辐射加固设计）的文章。

        β-Ga₂O₃ 是一种超宽禁带半导体材料，带隙为 4.6 eV-4.9 eV，其理论临界击穿场强超过 8 MV/cm，且具有优异的巴利加品质因数（BFOM），因而在高功率电子、射频应用和航空航天领域展现出巨大潜力。基于 β-Ga₂O₃ 的代表性器件包括金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）和肖特基势垒二极管（SBD）。迄今为止，β-Ga₂O₃ 材料的快速发展推动了相关功率器件的进步，实现了击穿电压（BV）和 BFOM 的突破。半导体器件的抗辐射性能对其制造和应用至关重要。典型的辐照效应，如总剂量效应（TID）和单粒子效应（SEE），会显著减低器件的电性能，辐照诱生深能级缺陷，甚至导致器件完全失效。β-Ga₂O₃ 材料固有的低热导率使其在遭受粒子轰击时，难以快速消除局部产生的热量，导致晶格温度急剧升高，加剧了单粒子烧毁（SEB）的风险。传统的抗辐射加固技术，主要聚焦电场分布调控，但对减缓热量聚集效应的效果有限。因此，亟需一种能够同时解决电场分布和热量管理的综合加固设计。

        采用 Sentaurus TCAD 对四种 β-Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管（SBD）器件结构的单粒子效应（SEEs）进行了仿真。分析表明，偏压（V_R）和线性能量传递（LET）的变化对SEEs具有显著影响。仿真结果强调：器件内部电场分布与晶格峰值温度（T_Max）是决定 β-Ga₂O₃ SBD SEEs 的关键因素。结果表明，采用场板终端技术的 β-Ga₂O₃ SBD （FP-SBD）的击穿电压（BV）较无场板终端的传统器件结构（C-SBD）提升约 170.9%。与 FP-SBD 相比，经金刚石涂层处理的 FP-SBD（FP-SBD-D）峰值瞬态电流降低约 26.3%，T_Max 降低 40.3%，有效解决了上述问题。并且，在重离子轰击后，FP-SBD-D 内部碰撞电离率和电流密度均显著下降。本研究表明，FP-SBD-D 的协同效应能有效减 SEEs 对 β-Ga₂O₃ SBDs 的影响，从而降低器件发生单粒子烧毁（SEB）的可能性。      

        本文提出了一种创新策略，通过集成场板终端技术与金刚石涂层，解决了 β-Ga₂O₃ SBD 中由 SEE 引起的导热难题。研究发现，随 V_R 和 LET 的增大，最大瞬态电流和 T_Max 均呈现上升趋势。此外，器件内部电场分布与晶格温度的相互作用是决定 SEB 是否发生的关键因素。TCAD 仿真结果表明，FP-SBD 可缓解电场分布并使 C-SBD 的 BV 值提升170.9%。在 V_R=100V、LET=0.35 pC/μm 条件下，FP-SBD-D 相较 FP-SBD 的峰值瞬态电流降低约 26.3%，T_Max 值降低 40.3%。该方法有效降低了内部碰撞电离率和电流密度，从而减轻了 SEE 对器件性能的影响，并最大限度地降低了 SEB 风险。所提出的加固技术为提高 β-Ga₂O₃ SBDs 的抗辐照能力提供了新策略。

图1. β-Ga₂O₃ SBD器件结构图：(a) C-SBD，(b) FP-SBD。

图2. （a）I-V 电学特性、（b）BV 特性、（c）肖特基结表面的电场分布图，以及（d）电场分布矢量仿真的结果。

图3. (a) 不同类型重离子入射能量与LET的关系，以及 (b) 不同重离子入射深度随入射能量的变化。

图4. C-SBD 与 FP-SBD 两种结构的(a) 不同 V_R 下，瞬态电流与 T_Max 随时间变化曲线：(b) 不同 V_R 下， T_Max 变化曲线，(c)最大瞬态电流随 V_R 变化关系，(d)T_Max 随 V_R 变化关系，(e)  当V_R =100 V 时，不同 LET 值的瞬态电流变化，(f) 当V_R =100 V 时，不同 LET 值的 T_Max 变化，(g) 最大瞬态电流随 LET 变化的曲线，(h) T_Max 随 LET 变化的曲线。

图5. C-SBD和FP-SBD两种器件在不同时间的碰撞电离率与电场强度分布：C-SBD(a) t = 1.04 × 10⁻⁹ s和(b) t = 2 × 10⁻⁹ s时C-SBD碰撞电离率分布；(c) t = 1.04 × 10⁻⁹ s和 (d) t = 2 × 10⁻⁹ s 时电场强度分布；FP-SBD(e) t = 1.04 × 10⁻⁹ s 和 (f) t = 2 × 10⁻⁹ s时碰撞电离率分；(g) t = 1.04 × 10⁻⁹ s 和 (h) t = 2 × 10⁻⁹ s时电场强度分布。

图6. 当V_R =100 V，LET= 0.35 pC/μm时，C-SBD与FP-SBD不同时刻肖特基结表面电场分布图。

图7. 加固的器件结构：(a) C-SBD-D，(b) FP-SBD-D。

图8. 加固器件的仿真结果：(a) I-V 电学特性曲线，(b) BV 特性曲线，(c) 肖特基结表面电场分布，(d) 电场分布矢量图。

图9. C-SBD-D 与 FP-SBD-D 中瞬态电流与 T_Max 随时间的变化：（a）不同 V_R 下的瞬态电流，（b）不同 V_R 下的 T_Max ， (c) 最大瞬态电流随 V_R 变化的曲线，(d) T_Max 随 V_R 变化的曲线，(e) 不同 LET 值下瞬态电流的变化，(f) 不同 LET 值下 T_Max 的变化，(g) 最大瞬态电流随 LET 变化的曲线，(h) T_Max 随 LET 变化的曲线。

图10. t = 1.04 × 10⁻⁹ s 时 SBD 器件的总电流密度分布：（a）C-SBD 器件，（b）C-SBD-D 器件，（c）FP-SBD 器件，（d）FP-SBD-D 器件。

图11. t = 1.04 × 10⁻⁹ s时 SBD 器件的峰值晶格温度分布：（a）C-SBD 器件，（b）C-SBD-D器件，（c）FP-SBD 器件，（d）FPSBD-D 器件。

图12. SBD 器件在 t = 1.04 × 10⁻⁹ s时的碰撞电离分布：（a）C-SBD 器件，（b）C-SBD-D 器件，（c）FP-SBD 器件，（d）FP-SBD-D 器件。

DOI：

doi.org/10.1016/j.nimb.2025.165860