由西安電子科技大學(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 Forward bias stress-induced degradation mechanism in β-Ga₂O₃ SBDs: A trap-centric perspective（正向偏壓應(yīng)力誘導(dǎo)的 β-Ga₂O₃ SBD 降解機(jī)制： 以陷阱為中心的視角）的文章。該篇文章為編輯精選（Editor’s Pick）文章。

1. 項(xiàng)目支持

該項(xiàng)研究得到了中國國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（Grant No. 2023YFB3611902）、國家自然科學(xué)基金（Grant Nos. 62104180、U2241220 和 62421005）、陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃（Grant No. 2023-JCQN-0669）以及國家輻射應(yīng)用創(chuàng)新中心基金（Grant No. KFZC2022020401）的支持。

2. 背景

β-Ga₂O₃ 由于其寬禁帶（4.5~4.9 eV）和高擊穿場強(qiáng)（~8 MV/cm）等優(yōu)異特性，已成為包括肖特基勢壘二極管（SBD）在內(nèi)的大功率電子器件的理想材料。然而，SBD 在正向偏壓應(yīng)力作用下容易發(fā)生降解，影響其長期可靠性。本研究旨在探討 FBS 誘導(dǎo)的 β-Ga₂O₃ SBDs 退化機(jī)制，重點(diǎn)關(guān)注與陷阱（trap）相關(guān)的物理過程。

3. 文章摘要

該研究從缺陷演變的角度探討了恒定正向電應(yīng)力對β-氧化鎵（β-Ga₂O₃）肖特基勢壘二極管（SBD）的影響。長時(shí)間的應(yīng)力顯著增加了反向漏電流密度（J_R）和小偏壓下的正向電流密度（J_F），并降低了開啟電壓（V_on）。溫度依賴的電流 - 電壓（I-V-T）分析表明，新鮮和受應(yīng)力的 SBD 的反向漏電流均由波爾 - 弗倫克爾（PF）發(fā)射主導(dǎo)，而正向電流傳輸機(jī)制在受應(yīng)力后從熱電子發(fā)射（TE）轉(zhuǎn)變?yōu)橄葳遢o助隧穿（TAT）。深能級瞬態(tài)譜（DLTS）結(jié)果確定了β-Ga₂O₃ 漂移層內(nèi)一個(gè)本征陷阱 E₂*（E_c - 0.75 eV），這很可能是與鎵空位相關(guān)的陷阱。該能級與 PF 障壁的一致性證明了該陷阱濃度的增加是 J_R 增加的主要原因。空間分布特征表明，金屬 - 半導(dǎo)體界面附近陷阱濃度的增加遠(yuǎn)大于體內(nèi)的增加，這確立了該陷阱與小偏壓下的 J_F 和 V_on 之間的關(guān)聯(lián)。這些發(fā)現(xiàn)突顯了陷阱演變在 SBD 電應(yīng)力下性能退化中的關(guān)鍵作用。

4. 創(chuàng)新點(diǎn)

•通過系統(tǒng)性的實(shí)驗(yàn)分析，首次明確了 β-Ga₂O₃ SBD 在 FBS 作用下的陷阱演變機(jī)制。

•采用 DLTS 技術(shù)檢測到特定陷阱能級，揭示了正向偏壓應(yīng)力誘導(dǎo)的界面態(tài)和體缺陷變化。

•提出了一個(gè)基于陷阱充電和釋放的退化模型，解釋了 β-Ga₂O₃ SBD 退化的關(guān)鍵物理過程。

•研究結(jié)果可為提高 β-Ga₂O₃ SBDs 的長期穩(wěn)定性和可靠性提供指導(dǎo)。

5. 結(jié)論

該研究探討了 β-Ga₂O₃ SBD 在正向電應(yīng)力下的退化機(jī)制。隨著應(yīng)力時(shí)間的增加，反向電流和小偏壓下的正向電流均增加，開啟電壓降低。通過深入研究導(dǎo)電機(jī)制和陷阱特性（采用 DLTS 測量），我們發(fā)現(xiàn)與 E_C-0.75 eV 處的 V_Ga 相關(guān)的陷阱 E₂* 增加，導(dǎo)致以 PF 發(fā)射機(jī)制為主的反向電流增加。靠近金屬-半導(dǎo)體界面處陷阱濃度的更顯著增加，有效降低了等效肖特基勢壘高度，從而增加了小偏壓下的正向電流，并導(dǎo)致開啟電壓的負(fù)向漂移。有趣的是，觀察到了從界面延伸的準(zhǔn)指數(shù)陷阱分布，并將其與 β-Ga₂O₃ SBD 電學(xué)性能的退化相關(guān)聯(lián)。本研究建立了陷阱濃度、陷阱空間分布與器件性能隨應(yīng)力時(shí)間變化的關(guān)系，為提高 β-Ga₂O₃ SBD 的可靠性提供了有價(jià)值的見解。

6. 圖文內(nèi)容

圖 1. 場板結(jié)構(gòu) β-Ga₂O₃ SBD 的橫截面示意圖。

圖 2. (a) 正向偏壓應(yīng)力期間的半對數(shù)縮放 J-V 圖和 (b) 線性縮放 J-V 圖。插圖：電流密度為 1 A/cm² 時(shí) J-V 特性的部分放大。(c) 以 1 MHz 頻率測量的 β-Ga₂O₃ SBD 的 C-V 特性。插圖： 器件在不同應(yīng)力時(shí)間下提取的凈載流子濃度與耗盡區(qū)深度的關(guān)系。

DOI：

doi.org/10.1063/5.0260529

本文轉(zhuǎn)發(fā)自《亞洲氧化鎵聯(lián)盟》訂閱號