由四川大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在學(xué)術(shù)期刊 Applied Physics Letters 發(fā)布了一篇名為 Synergistic mechanism underlying the enhanced electrical performance of vertical β-Ga₂O₃ Schottky barrier diodes through proton irradiation and annealing （通過(guò)質(zhì)子輻照和退火增強(qiáng)垂直 β-Ga₂O₃ 肖特基勢(shì)壘二極管的電學(xué)性能的協(xié)同機(jī)制）的文章。

1. 項(xiàng)目支持

本研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金的資助，Grant No. 61974096。

2. 背景

β-氧化鎵（β-Ga₂O₃）具有優(yōu)異的性能，包括4.8-4.9 e 的超寬帶隙（UWBG）、8 MV/cm 的高擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度、3444 的 Baliga 優(yōu)值。這些特性使其成為開發(fā)各種 β-Ga₂O₃ 功率器件的關(guān)鍵材料，例如肖特基勢(shì)壘二極管（SBD）、結(jié)勢(shì)壘肖特基二極管（JBS）、金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）、異質(zhì)結(jié)二極管、深紫外光電探測(cè)器以及憶阻器。此外，Ga 和 O 位移能分別為 25 eV 和 28 eV，使其適用于惡劣的輻照環(huán)境。在航空航天應(yīng)用中，將 β-Ga₂O₃ 的功率半導(dǎo)體器件集成到電源和系統(tǒng)中，可顯著提升效率并縮小系統(tǒng)體積，為未來(lái)航空航天電力電子的發(fā)展提供了廣闊的應(yīng)用前景。

3. 主要內(nèi)容

本研究展示了質(zhì)子輻照后退火處理提升垂直 β-Ga₂O₃ SBD 電學(xué)性能的效果，并探討了其物理機(jī)制。初步實(shí)驗(yàn)表明，SBD 在 5 MeV 質(zhì)子輻照后其整流特性顯著退化。經(jīng)過(guò)輻照后退火處理的器件（D1-A500）表現(xiàn)出載流子濃度（N_D）降低 72.1%，而擊穿電壓（BV）提升124.5%。深能級(jí)瞬態(tài)譜（DLTS）分析結(jié)果顯示，質(zhì)子輻照及后續(xù)退火導(dǎo)致受主陷阱 E2*（E_C-0.74 eV）濃度增加，并產(chǎn)生了新的缺陷峰 E2（E_C-0.86 eV），該缺陷可能與氧替位缺陷（O_GaII）有關(guān)。通過(guò)技術(shù)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（TCAD）模擬證實(shí)，載流子濃度降低有助于提升器件的擊穿電壓。

本研究闡明了質(zhì)子輻照對(duì)垂直 β-Ga₂O₃ SBD 性能的影響，并強(qiáng)調(diào)退火處理在器件性能恢復(fù)中的關(guān)鍵作用，為其在輻射環(huán)境下的應(yīng)用提供了重要參考。

4. 創(chuàng)新點(diǎn)

● 確定了高注量的質(zhì)子輻照會(huì)導(dǎo)致 β-Ga₂O₃ SBDs 性能顯著退化，而 500 °C 退火處理能夠在很大程度上恢復(fù)輻照后器件的性能。

● 通過(guò)比較輻照與未輻照器件在退火前后的電學(xué)特性，揭示了輻照損傷與退火修復(fù)對(duì)器件性能的影響機(jī)理。

● 輻照后經(jīng)退火處理的 SBD N_D 降低，導(dǎo)致 BV 提升。

5. 總結(jié)

本研究系統(tǒng)探討了 5 MeV 質(zhì)子輻照及退火處理對(duì)垂直 β-Ga₂O₃ SBDs 電學(xué)特性的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，質(zhì)子輻照顯著退化 β-Ga₂O₃ SBDs 的電學(xué)特性，但經(jīng)過(guò) 500 °C 退火處理后，輻照器件的整流特性得以恢復(fù)。質(zhì)子輻照引入界面態(tài)，導(dǎo)致肖特基勢(shì)壘高度（Φ_B）升高；而 500 °C 退火處理則改善金屬-半導(dǎo)體（MS）接觸性能，降低了接觸電阻（R_Contact）。此外，界面態(tài)可能促進(jìn)隧穿效應(yīng)，導(dǎo)致反向漏電流（I_R ) 值增大，并引起勢(shì)壘非均勻。N_D對(duì)質(zhì)子輻照誘導(dǎo)的 E2* 缺陷表現(xiàn)出顯著響應(yīng)，且退火處理可有效減弱該效應(yīng)。在 E_C-0.87 eV 處觀察到新缺陷峰可能與 O_GaII 缺陷相關(guān)。這些結(jié)果為 β-Ga₂O₃ SBDs 的器件可靠性研究提供了寶貴的理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)參考。

圖1. (a)、(b) 和 (c) 為D1、D2和D3的線性J-V特性曲線，(d)、(e)和(f)為D1、D2和D3的半對(duì)數(shù)J-V特性曲線。插圖為本工作中使用的β-Ga₂O₃ SBDs的二維結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2. 頻率為1 MHz時(shí)(a)輻照器件和(b)未輻照器件的C(1/C²)-V特性曲線。

DOI：

doi.org/10.1063/5.0278203

本文轉(zhuǎn)發(fā)自《亞洲氧化鎵聯(lián)盟》訂閱號(hào)