研究背景
氧化镓（β-Ga2O3）材料因其大禁带宽度（~4.8 eV）、高临界击穿场强（~8 MV/cm）、低导通电阻的优势，可实现高击穿和低功耗的电子器件，在电动汽车、高压输电、高功率射频电子系统等领域具有很好应用前景。此外，超宽带隙也保证了β-Ga2O3材料具有很强的本征理论抗辐射能力，这为β-Ga2O3器件的空间应用提供了优势。然而，前期研究表明尽管β-Ga2O3基器件具有优异的理论抗辐射能力，但在长期辐射环境中工作时，其性能仍会退化。在空间环境诸多高能粒子中，质子是分布最广的，因此其对器件造成的辐射损伤不容忽视。此外，在实际应用中，器件一般在工作状态下受到辐射，因此研究辐射与电偏压的协同作用非常重要。然而，早期报道的β-Ga2O3基器件质子辐照研究都是在无偏压的情况下进行的，二者协同作用研究尚无报导。因此，研究质子辐照与电偏压耦合作用下β-Ga2O3器件的退化机理十分重要。
西安电子科技大学郝跃院士课题组马晓华、郑雪峰教授团队实验首次研究了β-Ga2O3 p-n二极管在质子辐射和电应力协同作用下的退化规律及其物理机制，在Applied Physic Letters上发表了题为“Synergistic Effect of Electrical Bias and Proton Irradiation on the Electrical Performance of β-Ga2O3 p-n Diode”的研究论文，该论文被选为Editor's Pick（编辑精选），西安电子科技大学岳少忠博士为论文的第一作者，西安电子科技大学郑雪峰教授和王颖哲副教授为论文的共同通讯作者。
研究结果表明，质子辐射引起的器件正向电流密度退化随着剂量的增加而加剧，且在辐照过程中对器件施加的电应力会显著加剧器件的辐射损伤。进一步，结合电容-电压(C-V)和深能级瞬态谱(DLTS)方法明确了偏压和质子辐照过程中陷阱的演化过程。此外，结合SRIM仿真首次通过电场下反冲核的行为来解释电应力和质子辐射的协同效应。相关结果为提高β-Ga2O3二极管器件在空间应用中的可靠性提供了重要的理论指导。
图1 β-Ga2O3 p-n二极管的I-V特性曲线。(a)质子辐照前后；(b)质子辐照和-100 V电偏压耦合前后
实验结果显示，对于无偏压辐照的器件，正向电流密度退化随着辐照剂量的增加而加剧，在2×1013 p/cm2的辐照剂量下， JF@4 V下降了40%(图1(a))。然而，当-100 V电应力与质子辐照耦合时，在2×1013 p/cm2的辐照剂量下，JF@4 V降低了71% (图1(b))。
图2 β-Ga2O3 p-n二极管的C-V特性及提取的器件净载流子浓度。(a)质子辐照前后；(b)质子辐照和-100V电偏压耦合前后
净载流子浓度分布结果表明，β-Ga2O3层中的载流子浓度随着辐照剂量的增加而显著降低。此外，当电偏压协同作用后，载流子浓度的降低更为显著。(图2)。
图3 (a)无偏压与有偏压质子辐照前后β-Ga2O3 p-n二极管的DLTS谱线；(b)艾伦纽斯曲线；(c)不同剂量质子辐照后从DLTS提取的陷阱浓度。
为探索其退化深层原因，采用深能级瞬态谱(DLTS)方法从缺陷层面研究了β-Ga2O3 p-n二极管在质子辐照下的退化机理。如图3所示，质子辐照后，能级为EC-0.75 eV（Ga空位相关）的电子陷阱密度随辐照剂量增加而增加。其浓度的增加与器件正向电流的减小一致，表明导致器件在质子辐照下退化的关键因素是Ga原子位移导致的Ga空位相关缺陷浓度的增加。
图4 (a) β-Ga2O3中3 MeV质子辐照产生的反冲核统计；(b)计算Ga2O3中不同能量的Ga3+粒子的非电离能损
当在-100 V电偏压与质子辐照协同作用时，与纯辐照下相比，Ga空位缺陷浓度增加得更加显著，这与正向饱和电流的下降一致。更有趣的是，小剂量质子辐照与电偏压协同作用后，相比于纯质子辐照而言，缺陷浓度增加更加显著，正向饱和电流下降同样更加显著。针对此现象，针对电场下反冲核的行为进行了仿真。研究表明，电偏压使得质子辐射位移效应产生的反冲核被赋能，引起核能损进一步显著增加（如图4），对Ga2O3器件造成二次损伤，是质子辐照和电偏压耦合产生更多缺陷且退化更显著的关键原因。
该工作从缺陷层面研究了β-Ga2O3 p-n二极管在电偏压和质子辐照耦合作用下的退化机制，为提高β-Ga2O3二极管器件在空间应用中的可靠性提供了重要的理论指导。
团队介绍
西安电子科技大学集成电路学部是学校党政领导下的学术实体，统筹集成电路科学与工程一级学科和集成电路学院建设工作，支撑电子科学与技术一级学科建设，下设微电子学院、集成电路学院，以及宽禁带半导体器件与集成技术全国重点实验室、宽禁带半导体国家工程研究中心、国家集成电路产教融合创新平台等三个平台。是国内较早开展微电子专业人才培养与科学研究的单位之一，是国家首批示范性微电子学院建设单位（9所）、首批集成电路人才培养基地（9个）。
学部高水平教师队伍以郝跃院士为代表、中青年高层次专家为骨干，拥有中国科学院、中国工程院院士、中科院外籍院士等高层次人才42人次，建有全国高校黄大年式教师团队、全国教书育人楷模、全国模范教师。建设有第三代半导体领域唯一的国家工程研究中心、西北地区唯一的国家集成电路产教融合创新平台等国家级平台。建设有陕西省重点实验室、陕西省工程技术研究中心、陕西省2011协同创新中心。创新集成电路领域“三位一体”复合型人才培养模式并获国家教学成果一等奖（2018）。强力支撑电子科学与技术在第四轮学科评估中获评“A+”。学部坚持国家需求牵引、聚焦解决行业“卡脖子”难题，在氮化镓材料与器件、高性能模拟集成电路、系统芯片与集成系统、碳化硅高温半导体材料与器件等方面取得了一系列具有自主知识产权的重大研究成果，获国家科技进步奖、国家技术发明奖共7项，居全国微电子学院之首。
文章信息
Synergistic effect of electrical bias and proton irradiation on the electrical performance of β-Ga2O3 p–n diode
Shaozhong Yue; Yingzhe Wang; Xuefeng Zheng; Ailing Pan; Yuehua Hong; Xiaohu Wang; Sunyan Gong; Tian Zhu; Fang Zhang; Xiaohua Ma; Yue Hao
Appl. Phys. Lett. 124, 122105 (2024)
https://doi.org/10.1063/5.0201929
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