西安电子科技大学郝跃院士、马晓华教授团队---探究 β-Ga₂O₃ SBD 在正向电应力下的退化机制

由西安电子科技大学的研究团队在学术期刊 Applied Physics Letters 发布了一篇名为 Forward bias stress-induced degradation mechanism in β-Ga₂O₃ SBDs: A trap-centric perspective（正向偏压应力诱导的 β-Ga₂O₃ SBD 降解机制： 以陷阱为中心的视角）的文章。该篇文章为编辑精选（Editor’s Pick）文章。

1. 项目支持

该项研究得到了中国国家重点研发计划（Grant No. 2023YFB3611902）、国家自然科学基金（Grant Nos. 62104180、U2241220 和 62421005）、陕西省自然科学基础研究计划（Grant No. 2023-JCQN-0669）以及国家辐射应用创新中心基金（Grant No. KFZC2022020401）的支持。

2. 背景

β-Ga₂O₃ 由于其宽禁带（4.5~4.9 eV）和高击穿场强（~8 MV/cm）等优异特性，已成为包括肖特基势垒二极管（SBD）在内的大功率电子器件的理想材料。然而，SBD 在正向偏压应力作用下容易发生降解，影响其长期可靠性。本研究旨在探讨 FBS 诱导的 β-Ga₂O₃ SBDs 退化机制，重点关注与陷阱（trap）相关的物理过程。

3. 文章摘要

该研究从缺陷演变的角度探讨了恒定正向电应力对β-氧化镓（β-Ga₂O₃）肖特基势垒二极管（SBD）的影响。长时间的应力显著增加了反向漏电流密度（J_R）和小偏压下的正向电流密度（J_F），并降低了开启电压（V_on）。温度依赖的电流 - 电压（I-V-T）分析表明，新鲜和受应力的 SBD 的反向漏电流均由波尔 - 弗伦克尔（PF）发射主导，而正向电流传输机制在受应力后从热电子发射（TE）转变为陷阱辅助隧穿（TAT）。深能级瞬态谱（DLTS）结果确定了β-Ga₂O₃ 漂移层内一个本征陷阱 E₂*（E_c - 0.75 eV），这很可能是与镓空位相关的陷阱。该能级与 PF 障壁的一致性证明了该陷阱浓度的增加是 J_R 增加的主要原因。空间分布特征表明，金属 - 半导体界面附近陷阱浓度的增加远大于体内的增加，这确立了该陷阱与小偏压下的 J_F 和 V_on 之间的关联。这些发现突显了陷阱演变在 SBD 电应力下性能退化中的关键作用。

4. 创新点

•通过系统性的实验分析，首次明确了 β-Ga₂O₃ SBD 在 FBS 作用下的陷阱演变机制。

•采用 DLTS 技术检测到特定陷阱能级，揭示了正向偏压应力诱导的界面态和体缺陷变化。

•提出了一个基于陷阱充电和释放的退化模型，解释了 β-Ga₂O₃ SBD 退化的关键物理过程。

•研究结果可为提高 β-Ga₂O₃ SBDs 的长期稳定性和可靠性提供指导。

5. 结论

该研究探讨了 β-Ga₂O₃ SBD 在正向电应力下的退化机制。随着应力时间的增加，反向电流和小偏压下的正向电流均增加，开启电压降低。通过深入研究导电机制和陷阱特性（采用 DLTS 测量），我们发现与 E_C-0.75 eV 处的 V_Ga 相关的陷阱 E₂* 增加，导致以 PF 发射机制为主的反向电流增加。靠近金属-半导体界面处陷阱浓度的更显著增加，有效降低了等效肖特基势垒高度，从而增加了小偏压下的正向电流，并导致开启电压的负向漂移。有趣的是，观察到了从界面延伸的准指数陷阱分布，并将其与 β-Ga₂O₃ SBD 电学性能的退化相关联。本研究建立了陷阱浓度、陷阱空间分布与器件性能随应力时间变化的关系，为提高 β-Ga₂O₃ SBD 的可靠性提供了有价值的见解。

6. 图文内容

图 1. 场板结构 β-Ga₂O₃ SBD 的横截面示意图。

图 2. (a) 正向偏压应力期间的半对数缩放 J-V 图和 (b) 线性缩放 J-V 图。插图：电流密度为 1 A/cm² 时 J-V 特性的部分放大。(c) 以 1 MHz 频率测量的 β-Ga₂O₃ SBD 的 C-V 特性。插图： 器件在不同应力时间下提取的净载流子浓度与耗尽区深度的关系。

DOI：

doi.org/10.1063/5.0260529

本文转发自《亚洲氧化镓联盟》订阅号