重離子在SiC，GaN，Ga2O3寬禁帶半導(dǎo)體材料及器件中的輻照效應(yīng)研究

閆曉宇，胡培培，艾文思，翟鵬飛， 趙培雄，李宗臻，劉 杰?

(1. 中國科學(xué)院 近代物理研究所，蘭州 730000；2. 中國科學(xué)院大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100049)

自20世紀(jì)四五十年代晶體管發(fā)明以來，半導(dǎo)體行業(yè)遵循摩爾定律飛速發(fā)展[1]。以Si為代表的第一代半導(dǎo)體材料，廣泛應(yīng)用于電力電子系統(tǒng)中，如電機驅(qū)動、諧振變換器和整流器等[2]。受限于Si材料的物理性能，Si半導(dǎo)體器件無法滿足電力電子行業(yè)發(fā)展對半導(dǎo)體在高壓、高頻、高溫和高功率密度應(yīng)用中的需求。于是，以SiC，GaN，Ga2O3為代表的第3代寬禁帶半導(dǎo)體材料逐漸興起并快速發(fā)展，如，SiC材料具有較高的擊穿電場強度等物理性能，被應(yīng)用于高功率器件[3]。

Si，4H-SiC，GaN，β-Ga2O3材料的帶隙Eg、電子遷移率μn、電子飽和速度vsat、擊穿電場強度Ec、介電常數(shù)εr、熱導(dǎo)率λ和Baliga優(yōu)值BFOM等參數(shù)如表1所列。由表1可知，4H-SiC，GaN，β-Ga2O3材料的多種參數(shù)均優(yōu)于Si，特別是SiC和GaN材料還具有較高的熱導(dǎo)率[3]。由BFOM可知，4H-SiC，GaN，β-Ga2O3可提升金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor, MOSFET)器件的高功率特性[3-4]。SiC功率器件有望在航天器電源系統(tǒng)中用于動力控制單元、電推系統(tǒng)、電力驅(qū)動和高壓靜態(tài)開關(guān)等系統(tǒng)中[5]。早在1998年，美國空軍就提出并逐步實現(xiàn)了SiC器件在多電飛行器中的應(yīng)用[6]。GaN器件在空間可用作射頻器件和微波高功率放大器等[7-8]。同樣，Ga2O3器件在航天器電源和驅(qū)動負載中有應(yīng)用潛力。

然而，半導(dǎo)體器件在空間應(yīng)用中將面臨高能粒子輻射環(huán)境[9-10]，可能產(chǎn)生單粒子效應(yīng)等空間輻射效應(yīng)。針對復(fù)雜的空間輻射環(huán)境，寬禁帶半導(dǎo)體器件的輻照效應(yīng)機理和加固技術(shù)等是空間應(yīng)用所面臨的挑戰(zhàn)[11]，還存在空間輻射效應(yīng)地面模擬等效性和評價機制合理性等諸多問題[12-13]。如，重離子輻照功率器件會造成器件電學(xué)性能退化甚至燒毀等。本文重點介紹了重離子輻照SiC，GaN，Ga2O3材料和器件引起的材料損傷及器件電學(xué)性能退化與失效。

1 SiC材料和器件重離子輻照效應(yīng)研究

1824年，Berzelius[14]首次發(fā)現(xiàn)SiC材料，但受限于制造工藝，SiC難以廣泛生產(chǎn)和應(yīng)用；直到1955年， Lely等提出了生長高品質(zhì)SiC單晶的方法[15]；1991年，美國CREE公司發(fā)布全球首個商用SiC晶圓。至此，SiC材料及應(yīng)用開始快速發(fā)展[16]。SiC晶體根據(jù)Si-C雙鍵堆垛次序的不同，有200多種同質(zhì)異型體，目前制作器件最常用的是4H-SiC，6H-SiC，3C-SiC等晶體結(jié)構(gòu)[17]。其中，4H-SiC的禁帶寬度最大，Ec和μn高，適于制造耐高壓高溫的功率半導(dǎo)體器件[18]。研究表明，SiC材料具有優(yōu)異的抗輻照性能[19-20]，但與材料迥然不同，當(dāng)SiC器件工作在高電壓狀態(tài)下時，重離子輻照極易引發(fā)單粒子效應(yīng)，產(chǎn)生單粒子燒毀和柵穿等硬錯誤，成為SiC器件空間應(yīng)用的瓶頸。

表1 幾種半導(dǎo)體材料的物理參數(shù)[3]Tab.1 Parameters of several semiconductor materials[3]

1.1 SiC材料重離子輻照效應(yīng)研究

重離子入射材料后沉積能量會造成材料原子電離、激發(fā)或移位。低能重離子入射材料主要以核能損Sn的形式產(chǎn)生位移損傷，其中，需滿足離子傳遞給靶原子的能量大于離位閾能值Ed，Si材料的Ed為11～21 eV[21]；而SiC材料中Si原子的Ed最小為35 eV，C原子的Ed最小為21 eV[19]。實驗研究表明，室溫下，低能重離子輻照SiC形成非晶化的臨界注量約為1014～1015cm-2[22-24]，且SiC材料具有低中子吸收截面、高耐腐蝕性及低熱膨脹系數(shù)等特性，是反應(yīng)堆常用的結(jié)構(gòu)材料之一[25-27]。

快重離子與材料相互作用中電子能損Se占主導(dǎo)，重離子與靶原子核外電子發(fā)生非彈性碰撞，造成電離和激發(fā)。當(dāng)快重離子入射材料時，通常沿路徑會在半徑r為幾納米的柱形區(qū)域內(nèi)形成潛徑跡。根據(jù)重離子與材料相互作用形成缺陷及潛徑跡的非彈性熱峰模型(inelastic thermal spike model, i-TS model)，潛徑跡的形成及特性不僅與入射離子種類和能量有關(guān)，而且與靶材料的熱擴散系數(shù)、熱傳導(dǎo)系數(shù)、比熱、電子密度、德拜溫度和電導(dǎo)率等有關(guān)[28]。實驗研究表明，Si和SiC材料中潛徑跡的形成均具有較高的電子能損閾值。當(dāng)Se為29 keV·nm-1的重離子入射Si材料時，Si材料內(nèi)部只產(chǎn)生點缺陷[29]；SiC材料內(nèi)產(chǎn)生潛徑跡的Se閾值大于34 keV·nm-1[20]。實驗中，使用2.7 GeV U離子輻照SiC材料也未發(fā)現(xiàn)潛徑跡[30]。本文利用非彈性熱峰模型計算潛徑跡形成的閾值，當(dāng)1.5 GeV U離子輻照SiC材料時，不同半徑條件下，能量沉積的分布如圖1所示。由圖1可見，SiC材料內(nèi)形成潛徑跡的Se閾值約為37 keV·nm-1。但至今為止，人們還沒有直接觀測到單個重離子在SiC材料中形成的潛徑跡，可見，SiC材料具有較好的抗輻照損傷性能。

1.2 SiC器件重離子輻照效應(yīng)研究

SiC器件主要有肖特基二極管和MOSFET等。諸多研究表明，SiC器件具有較好的抗電離總劑量效應(yīng)和位移損傷效應(yīng)能力[31-35]。2004年，Scheick等[36]首次通過實驗發(fā)現(xiàn)，質(zhì)子和重離子輻照施加偏置電壓的SiC肖特基二極管時，出現(xiàn)了燒毀現(xiàn)象；之后，研究人員開始關(guān)注SiC功率器件由重離子輻照引發(fā)的單粒子硬錯誤。研究主要圍繞SiC肖特基二極管和MOSFET器件，通過重離子輻照實驗和TCAD模擬計算等手段，研究不同重離子輻照下SiC器件單粒子效應(yīng)及加固措施。本節(jié)給出了重離子輻照SiC肖特基二極管和MOSFET器件的響應(yīng)特性和機理。

1.2.1 SiC肖特基二極管重離子輻照效應(yīng)

實驗發(fā)現(xiàn)，SiC肖特基二極管的重離子輻照響應(yīng)特性與器件參數(shù)設(shè)定和重離子輻照參數(shù)等有關(guān)。器件偏壓Vb和入射離子線性能量轉(zhuǎn)移(linear energy transfer, LET)值是決定器件響應(yīng)的2個主要因素。當(dāng)重離子輻照SiC肖特基二極管時，隨著反向偏壓的增加，器件發(fā)生電荷異常收集，漏電退化，直至單粒子燒毀(single event burnout, SEB)，如圖2所示[37]。器件發(fā)生SEB的閾值電壓可能低于額定電壓的50%。

快重離子入射會在器件內(nèi)部沉積能量，沿路徑產(chǎn)生的電子-空穴對在器件電場及載流子濃度的作用下發(fā)生漂移和擴散而被收集。圖3為不同偏壓下Xe離子輻照SiC肖特基二極管漏電流Ir隨離子注量Φ的變化關(guān)系[37]。

由圖3可見，當(dāng)相同離子作用在漏電損傷響應(yīng)區(qū)域時，器件表現(xiàn)為偏壓越高損傷越嚴(yán)重，且偏壓相同時，漏電流隨離子注量增大而增大[37-38]。重離子微束輻照SiC肖特基二極管時，發(fā)現(xiàn)器件漏電流隨入射離子注量呈線性增長趨勢[39]。隨著偏壓和LET值的進一步增大，器件會發(fā)生破壞性損傷，即SEB，表現(xiàn)為反向阻斷能力的喪失。圖4為不同重離子輻照不同偏壓SiC肖特基二極管時，發(fā)生SEB時的電流隨時間的變化關(guān)系[40]。離子入射角度對器件漏電退化的影響研究表明，相同偏壓及重離子輻照下，重離子正入射時，器件退化最嚴(yán)重[41]。

利用蘭州重離子加速器(Heavy Ion Research Facility in Lanzhou, HIRFL)提供的單核能量為13.5 MeV的Ta離子，開展了不同規(guī)格SiC肖特基二極管的重離子輻照實驗。實驗結(jié)果表明：LET值相同時，偏壓越高，器件漏電損傷越嚴(yán)重。650 V/20 A規(guī)格的SiC肖特基二極管輻照實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Ta離子能量為1 602 MeV，LET(SiC)值為82.8 MeV·cm2·mg-1，反向偏壓設(shè)置為300 V，注量累積到4.5×105cm-2時，器件發(fā)生SEB，光學(xué)顯微鏡觀測到器件表面有明顯直徑大于100 μm的熔坑，如圖5所示。

針對SiC肖特基二極管重離子輻照漏電退化和SEB的機理，人們通常從局域熱效應(yīng)的角度進行分析[37, 42-43]。Kuboyama等[37]認(rèn)為重離子沉積能量并與器件內(nèi)高電場共同作用造成熱效應(yīng)，使器件內(nèi)材料晶格溫度升高產(chǎn)生損傷，重離子入射器件時，由電場引起的峰值功率為[37]

(1)

目前，SiC肖特基二極管重離子輻照下的響應(yīng)特性和影響因素的研究結(jié)果基本一致，用熱效應(yīng)機理可解釋器件漏電退化或燒毀，但缺乏重離子入射器件內(nèi)部更為精細的作用過程研究及對器件抗輻照可靠性的精確評估機制。

1.2.2 SiC MOSFET重離子輻照效應(yīng)

對于重離子輻照下的器件響應(yīng)，與肖特基二極管相比，SiC MOSFET也會出現(xiàn)漏電退化和SEB等效應(yīng)；但由于柵的存在，重離子輻照時，SiC MOSFET還會出現(xiàn)單粒子?xùn)糯?single event gate rupture, SEGR)。SiC MOSFET的重離子輻照響應(yīng)特性，與器件在線參數(shù)設(shè)定、重離子輻照參數(shù)及器件工藝等相關(guān)。目前SiC MOSFET器件重離子輻照在線測試大多使用N溝道MOSFET，測試中器件一般處于關(guān)態(tài)，同樣輻照參數(shù)下，隨著漏源電壓VDS變化，器件在線和輻照后會出現(xiàn)的響應(yīng)如圖7所示[45]。

與Si基MOSFET相比，重離子入射SiC MOSFET器件同樣存在柵極潛徑跡(latent tracks)的形成與激活效應(yīng)[46-48]，如圖8所示。由圖8(a)可見，輻照后柵極電應(yīng)力測試(post irradiation gate stress, PIGS)下器件柵極特性失效[47]；由圖8(b)可見，相應(yīng)偏壓下，隨輻照注量增大，當(dāng)重離子再次作用在輻照引起的局域潛徑跡損傷位置時，柵極漏電流IGSS和漏極漏電流IDSS發(fā)生同步跳變[47]。

IGSS，IDSS隨電壓和輻照注量的變化關(guān)系如圖9所示。由圖9可見，隨著VDS的增大，SiC MOSFET重離子輻照下可在線觀測到IGSS，IDSS增大，即器件發(fā)生了漏電退化，表現(xiàn)IGSS=IDSS或IGSS

實驗研究表明，重離子輻照下SiC MOSFET發(fā)生SEB的閾值電壓可能低于額定電壓的50%[50]。通過改變?nèi)肷潆x子的LET值觀測器件發(fā)生SEB的閾值電壓，1 200 V SiC MOSFET發(fā)生SEB的閾值電壓隨入射離子LET值的變化關(guān)系，如圖11所示。由圖11可見，重離子LET值小于20 MeV·cm2·mg-1時，器件閾值電壓對LET變化敏感；重離子LET值大于20 MeV·cm2·mg-1時，器件的閾值電壓趨于穩(wěn)定。重離子入射器件不同位置，器件發(fā)生SEB的敏感性不同，正入射時，源-體區(qū)最為敏感[50]；SiC材料的結(jié)構(gòu)和晶面對MOSFET器件SEB的敏感性也有影響，利用TCAD模擬發(fā)現(xiàn)，與6H-SiC相比，4H-SiC材料更有優(yōu)勢；(0001)晶圓器件抗SEB能力更強[51-52]。

針對一款國產(chǎn)商用900 V/36 A增強型SiC MOSFET開展重離子輻照實驗，用Ta離子輻照處于關(guān)態(tài)的器件，設(shè)定VGS為0，施加漏源偏壓VDS并在線監(jiān)測器件電流，發(fā)現(xiàn)：LET值相同時，偏壓越大，器件漏電損傷越嚴(yán)重；離子入射角度對器件漏電損傷特性有影響，正入射時，器件漏電損傷最嚴(yán)重，這與SiC肖特基二極管結(jié)果一致。當(dāng)Ta離子能量為1 602 MeV，LET(SiC)值為82.8 MeV·cm2·mg-1，VDS為400 V，輻照注量累積到1×105cm-2時，器件發(fā)生SEB，光學(xué)顯微鏡可觀察到表面的熔坑，如圖12所示。

SiC MOSFET器件發(fā)生SEB機理是目前研究的熱點，部分研究人員延用Si MOSFET寄生雙極性晶體管(bipolar junction transistor,BJT)激活誘發(fā)SEB進行解釋。在此機制的基礎(chǔ)上，Witulski等[50]研究重離子入射位置對寄生BJT開啟的影響發(fā)現(xiàn)，當(dāng)入射位置距離靈敏區(qū)域較遠時，需增大重離子的LET值以確保沉積足夠的電荷開啟寄生BJT；Peng等[53]根據(jù)重離子輻照實驗和TCAD模擬發(fā)現(xiàn)，SiC MOSFET發(fā)生SEB過程中，寄生BJT的開啟會減小器件發(fā)生SEB的閾值電壓；Zhou等[54]對比了Si和SiC MOSFET的SEB安全工作區(qū)(safe operation areas, SOAs)特性，根據(jù)不同LET值時器件發(fā)生燒毀的閾值電壓，得出Si MOSFET SEB的安全工作區(qū)為110 V，而SiC MOSFET SEB的安全工作區(qū)僅為15 V。然而，Ball等[55]開展了1 200 V SiC MOSFET和二極管重離子輻照實驗，給出了SiC MOSFET和二極管發(fā)生SEB和漏電退化的閾值電壓隨LET值的變化關(guān)系，如圖13所示。由圖13可見，2種器件漏電退化和SEB的閾值電壓隨LET值有相同的變化趨勢，故分析2種器件輻照響應(yīng)的機制相同，由此提出了離子誘導(dǎo)的高局域能量脈沖機制，并分析同樣條件下高規(guī)格器件產(chǎn)生更小功率密度，使降額使用提高器件的可靠性變得可行[56]。

目前，針對SiC MOSFET的重離子輻照效應(yīng)研究，以實驗現(xiàn)象為主，而對失效的機理還缺乏統(tǒng)一的解釋，重離子輻照造成材料層面上的損傷對器件失效的影響還有待進一步研究。

2 GaN材料和器件重離子輻照效應(yīng)研究

GaN是典型的寬禁帶半導(dǎo)體材料，發(fā)展初期，由于沒有合適的單晶襯底，晶格失配導(dǎo)致位錯密度較高、N型材料本底濃度高及難以實現(xiàn)P型摻雜等諸多問題，GaN材料發(fā)展非常緩慢。直到20世紀(jì)80年代初，日本日亞化學(xué)工業(yè)公司(Nichia)的中村修二克服了材料制備2大工藝難題，實現(xiàn)了高質(zhì)量GaN薄膜的生長及GaN P型摻雜的調(diào)控，解決了單晶材料制備的困難，GaN器件的發(fā)展開始進入黃金時期。在室溫及正常大氣壓下，纖鋅礦型結(jié)構(gòu)是GaN最常見的結(jié)構(gòu)，也是熱力學(xué)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)。纖鋅礦GaN屬于六角密堆積結(jié)構(gòu)，不具有中心對稱性，沒有外應(yīng)力作用時，正負電荷中心不重合，沿著晶體極軸c軸方向會產(chǎn)生自發(fā)極化效應(yīng)。GaN三元化合物通過改變組分配比可連續(xù)改變工作波長和帶隙寬度，是異質(zhì)結(jié)器件的首選材料。GaN電子器件主要以異質(zhì)結(jié)高遷移率晶體管(high electron mobility transistor, HEMT)為主，在AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面形成的2維電子氣(two-dimensional electron gas, 2DEG)具有很高的電子遷移率和極高的載流子濃度，是制備高頻大功率電子器件的首選材料。此外，GaN HEMT結(jié)構(gòu)可在SiC和金剛石等高熱導(dǎo)率襯底上生長，具有極好的散熱特性。因此，GaN HEMT被公認(rèn)為是目前最理想的微波功率器件[57]。

2.1 GaN材料重離子輻照效應(yīng)研究

GaN材料禁帶寬度大，熱導(dǎo)率高，擊穿電場強度大，具有較好的抗輻照性能。前期研究發(fā)現(xiàn)：GaN材料經(jīng)重離子輻照后，低注量下表現(xiàn)出退火效應(yīng)；當(dāng)累積注量達到1×1011cm-2時，GaN材料會產(chǎn)生顯著的結(jié)構(gòu)損傷，通過拉曼(Raman)光譜分析發(fā)現(xiàn)晶體中產(chǎn)生的缺陷團簇引起了晶格畸變，導(dǎo)致拉曼譜特征峰藍移；當(dāng)累積注量更高時，重離子輻照會直接導(dǎo)致GaN晶體材料非晶化，拉曼光譜測試及透射電子顯微鏡(TEM)直接觀測的結(jié)果均驗證了這一結(jié)論[58]。

2.2 GaN器件重離子輻照效應(yīng)研究

GaN器件輻照損傷的研究分別提出了熱聲子效應(yīng)[59]、逆壓電效應(yīng)[60]及熱載流子效應(yīng)[61]，這些理論模型都不能完美地解釋輻照損傷的確切機制。為解決這一難題，研究人員利用電子、質(zhì)子、中子和重離子等多種粒子開展了GaN基HEMT器件輻照效應(yīng)的研究工作[62-65]。Hazdra等[66]研究電子輻照效應(yīng)過程中發(fā)現(xiàn)，小注量4.5 MeV電子輻照時，GaN基晶體管沒有明顯變化；當(dāng)電子注量較高時，引入大量的點缺陷，導(dǎo)致器件內(nèi)部電子濃度及遷移率下降，晶體管性能退化。2 MeV質(zhì)子輻照AlGaN/GaN HEMT器件研究結(jié)果表明，異質(zhì)結(jié)界面處產(chǎn)生的缺陷作為有效的散射中心引起2維電子氣遷移率減小，降低了器件飽和漏電流[67]。γ射線輻照實驗研究發(fā)現(xiàn)，AlGaN/GaN HEMT器件具有較好的抗輻照性能，但在高注量γ射線輻照下也會引入陷阱電荷，影響器件的電學(xué)和光學(xué)特性[68]。中子輻照效應(yīng)研究發(fā)現(xiàn)，熱中子輻照GaN二極管產(chǎn)生點缺陷導(dǎo)致器件反向偏置電流顯著增大[69]。這些工作在總劑量效應(yīng)研究方面取得了豐碩的成果，為GaN基器件輻照效應(yīng)的深入研究奠定了基礎(chǔ)。重離子輻照實驗發(fā)現(xiàn)，輻照引入缺陷，引起異質(zhì)結(jié)界面陷阱電荷濃度增大、導(dǎo)致器件性能退化、飽和漏電流減小及閾值電壓正向漂移等退化現(xiàn)象[70]。與Si及SiC襯底相比，GaN自支撐器件表現(xiàn)出更好的抗輻照性能[71]。

低能粒子與GaN基器件相互作用的過程中核能損起主導(dǎo)作用[72-73]，位移損傷是導(dǎo)致器件電學(xué)性能退化的主要因素。對中高能重離子而言，強電子激發(fā)效應(yīng)引起的材料結(jié)構(gòu)損傷是導(dǎo)致器件性能退化的關(guān)鍵因素。Sasaki等[74]利用超高壓電子顯微鏡觀察到18 MeV Ni離子輻照后器件中有應(yīng)力產(chǎn)生，圖14為AlGaN/GaN HEMT器件超高壓電子顯微鏡圖。輻照后電學(xué)性能沒有明顯變化，說明AlGaN/GaN HEMT器件表現(xiàn)出很好的抗輻照性能。Islama等[75]開展了2.8 MeV Au離子輻照AlGaN/GaN HEMT器件實驗，研究發(fā)現(xiàn)，界面陷阱電荷的引入導(dǎo)致器件擊穿電壓降低。利用TEM分析了輻照引起器件材料的微觀結(jié)構(gòu)損傷，圖15為HEMT器件透射電鏡圖。由圖15可見，輻照后觀察到界面缺陷聚集現(xiàn)象及輻照應(yīng)力引起的位錯。

綜上所述，器件電學(xué)性能的退化與材料輻照損傷密切相關(guān)，已發(fā)表的研究成果主要聚焦于輻照引起的器件電學(xué)性能的退化，對器件結(jié)構(gòu)損傷的研究涉及較少。本文基于GaN材料重離子輻照效應(yīng)的研究基礎(chǔ)，從器件材料結(jié)構(gòu)損傷的角度分析了重離子輻照引起AlGaN/GaN HEMT器件電學(xué)性能退化的本質(zhì)因素，詳細分析了重離子輻照AlGaN/GaN HEMT器件在材料內(nèi)部產(chǎn)生的潛徑跡的形貌和結(jié)構(gòu)，獲得了器件電學(xué)性能退化與器件材料結(jié)構(gòu)損傷之間的本質(zhì)聯(lián)系。

不同能量的Bi離子及Xe離子輻照AlGaN/GaN HEMT器件后的電學(xué)測試結(jié)果表明：Xe離子輻照后HEMT器件閾值電壓正向漂移，飽和漏電流減??；Bi離子輻照后飽和漏電流急劇下降，在高注量下出現(xiàn)關(guān)態(tài)漏電現(xiàn)象。對2種離子輻照后的器件進行剖面微觀結(jié)構(gòu)分析，Xe離子輻照后器件整個柵區(qū)域及異質(zhì)結(jié)區(qū)域并未發(fā)現(xiàn)潛徑跡形成；Bi離子輻照AlGaN/GaN HEMT器件縱截面TEM圖如圖16所示。由圖16可見，有穿越整個柵區(qū)域及異質(zhì)結(jié)區(qū)域的重離子徑跡。

由圖16(a)可見，有黑色線條分布，如虛線框標(biāo)記的b和c區(qū)域即為離子入射后形成的潛徑跡，在非晶SiN層中也有潛徑跡形成。圖16(b)虛線框中標(biāo)記位于異質(zhì)結(jié)界面區(qū)域徑跡直徑大約5.8 nm，隨著離子入射深度的增大，徑跡直徑逐漸減小。由圖16(c)可見，距離器件表面500 nm深度觀察到徑跡直徑大約為4.3 nm，且徑跡晶格條紋模糊，有非晶相形成。由圖16(d)可見，漏區(qū)域形成了潛徑跡。在距離器件表面500 nm處觀察徑跡的顯微結(jié)構(gòu)，高倍下觀察漏區(qū)域潛徑跡呈現(xiàn)準(zhǔn)連續(xù)的形貌，如圖16(e)所示。潛徑跡是缺陷和缺陷團簇的聚集區(qū)域，潛徑跡的形成導(dǎo)致晶格結(jié)構(gòu)不完整，引入電子陷阱和缺陷，使載流子輸運溝道中散射中心數(shù)目增大，散射概率增加，最終導(dǎo)致有效載流子濃度降低，柵壓控制能力減弱，閾值電壓漂移。由于異質(zhì)結(jié)厚度較小，溝道內(nèi)引入雜質(zhì)較少，溝道外引入深能級缺陷會通過載流子去除效應(yīng)和隧穿效應(yīng)引起異質(zhì)結(jié)勢壘高度降低，勢壘層中摻雜濃度增大，導(dǎo)致2維電子氣面密度降低，遷移率減小。因此，快重離子輻照引起的材料結(jié)構(gòu)損傷是導(dǎo)致器件電學(xué)性能退化甚至失效的主要因素[76]。

3 Ga2O3材料和器件重離子輻照效應(yīng)研究

Ga2O3存在5種不同的晶型[77-84]，其中，α-Ga2O3具有與藍寶石相同的剛玉型晶體結(jié)構(gòu)，可利用特殊的化學(xué)氣相沉積工藝在藍寶石襯底上制備出無應(yīng)力的α-Ga2O3薄膜。日本Flosfia公司已利用α-Ga2O3薄膜制備出二極管和晶體管，部分器件已實現(xiàn)量產(chǎn)。單斜晶系的β-Ga2O3是Ga2O35種晶型結(jié)構(gòu)中最穩(wěn)定的。在一定條件下，其他4種Ga2O3晶型結(jié)構(gòu)都可以轉(zhuǎn)化為β-Ga2O3。β-Ga2O3可采用與單晶Si相似的高溫熔體技術(shù)直接生長，以較低成本大批量生產(chǎn)單晶晶圓[85]。結(jié)合β-Ga2O3晶體的優(yōu)異物化性質(zhì)及低成本等優(yōu)勢，β-Ga2O3被認(rèn)為是最具發(fā)展?jié)摿Φ木啵彩悄壳皣鴥?nèi)外研究最廣泛的晶相。隨著β-Ga2O3單晶生長及制備工藝的成熟，以β-Ga2O3空間應(yīng)用為背景的輻照效應(yīng)研究也逐步展開。

3.1 β-Ga2O3材料重離子輻照效應(yīng)研究

早在1974年，針對β-Ga2O3單晶材料，利用注量為4×1017cm-2的快中子輻照燒結(jié)β-Ga2O3，發(fā)現(xiàn)β-Ga2O3電導(dǎo)率下降，如圖17所示。

推測輻照在材料中產(chǎn)生的空位類型缺陷作為電子的俘獲中心，從而引起材料電導(dǎo)率下降[86]。能量為幾百keV的P，Ar，Sn離子輻照β-Ga2O3單晶，利用盧瑟福溝道背散射方法(Rutherford backscattering spectrometry in channeling mode，RBS/C)給出結(jié)構(gòu)損傷信息[87]，發(fā)現(xiàn)700 keV Sn離子輻照劑量達到0.6 dpa(dpa為給定注量下，每個原子的平均移位次數(shù))時，損傷峰處無序度達到飽和值0.9，而單晶4H-SiC在4 MeV Xe離子輻照下的非晶臨界劑量為0.4 dpa[88]。表明，β-Ga2O3抗低能重離子輻照能力可能要優(yōu)于4H-SiC。

通過TEM直接證實快重離子輻照在β-Ga2O3中產(chǎn)生圓柱形非晶結(jié)構(gòu)的潛徑跡[89]，如圖18所示。同時，利用非彈性熱峰模型，預(yù)測β-Ga2O3中產(chǎn)生潛徑跡的Se閾值約為17 keV·nm-1，明顯低于GaN和SiC等產(chǎn)生潛徑跡的Se閾值，表明相同快重離子輻照后，β-Ga2O3單晶更容易產(chǎn)生潛徑跡這種永久性結(jié)構(gòu)損傷。利用946 MeV Au離子輻照多晶β-Ga2O3樣品，并通過X射線衍射(X-ray diffraction, XRD)光譜分析發(fā)現(xiàn)，輻照產(chǎn)生的非晶潛徑跡還導(dǎo)致β-Ga2O3出現(xiàn)各向異性的腫脹[90]。利用120 MeV Ag離子輻照多晶β-Ga2O3薄膜，當(dāng)輻照注量為1×1011～5×1012cm-2時，通過XRD光譜、拉曼光譜及RBS/C光譜研究，發(fā)現(xiàn)Ag離子輻照不僅使β-Ga2O3薄膜平均晶粒尺寸逐漸減小，還使薄膜呈現(xiàn)乏氧狀態(tài)[91]。

3.2 β-Ga2O3器件重離子輻照效應(yīng)研究

由于β-Ga2O3材料P型摻雜困難，目前主要開展N型摻雜的β-Ga2O3的肖特基勢壘二極管(Schottky barrier diode, SBD)和MOSFET器件輻照效應(yīng)研究。利用10 MeV質(zhì)子、1.5 MeV電子和10 MeV α離子輻照β-Ga2O3肖特基整流器，觀測到輻照引入的陷阱態(tài)造成整流器反向擊穿電壓、載流子去除率及開關(guān)比等電學(xué)參數(shù)退化[92-94]。利用10 MeV質(zhì)子輻照通過機械剝離制得的薄層β-Ga2O3FETs器件發(fā)現(xiàn)，當(dāng)注量為2×1015cm-2時，器件場效應(yīng)遷移率下降73%，閾值電壓正向漂移，器件開關(guān)比變化不大[95]。

能量為2 096 MeV，注量ΦTa為5×107～1×109cm-2的Ta離子輻照時，β-Ga2O3SBD參數(shù)的變化情況如圖19所示[96]。

由圖19可見：輻照后器件正向?qū)胺聪蜃钄嗄芰ο陆?，注量增加?×109cm-2時，器件損壞；快重離子在β-Ga2O3SBD中造成了明顯的載流子去除效應(yīng)；通過比較β-Ga2O3，SiC，GaN等器件，發(fā)現(xiàn)快重離子輻照后，β-Ga2O3器件載流子去除率最高，器件性能退化最嚴(yán)重。

4 總結(jié)

寬禁帶半導(dǎo)體材料的功率器件獨具優(yōu)勢，但對重離子輻照效應(yīng)的敏感性是制約寬禁帶半導(dǎo)體器件在空間應(yīng)用的瓶頸問題。研究表明：SiC材料對重離子輻照不敏感，但SiC器件在高壓工作條件下易發(fā)生重離子單粒子效應(yīng)，如單粒子漏電退化、單粒子燒毀和單粒子?xùn)糯┑?；隨著器件結(jié)構(gòu)和工藝尺寸的不斷發(fā)展，仍需開展不同離子參數(shù)和器件電學(xué)特性的重離子輻照實驗及理論模擬，明確重離子入射高壓器件后內(nèi)部電場及載流子濃度等演化過程，建立材料損傷與器件電學(xué)特性變化的關(guān)系，從而認(rèn)識效應(yīng)機理；GaN材料對低能重離子表現(xiàn)出較好的抗輻照特性，而對快重離子，易產(chǎn)生潛徑跡等結(jié)構(gòu)損傷，直接影響器件電學(xué)特性，在加電狀態(tài)下，重離子輻照與器件內(nèi)高強度電場共同作用的影響還需進一步研究；快重離子輻照后，Ga2O3材料易產(chǎn)生潛徑跡等結(jié)構(gòu)損傷，造成器件電學(xué)性能退化，限制了其在輻射環(huán)境下的應(yīng)用。