由西安電子科技大學的研究團隊在學術期刊 Applied Physics Letters 發布了一篇名為 Forward bias stress-induced degradation mechanism in β-Ga₂O₃ SBDs: A trap-centric perspective（正向偏壓應力誘導的 β-Ga₂O₃ SBD 降解機制： 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. 項目支持

該項研究得到了中國國家重點研發計劃（Grant No. 2023YFB3611902）、國家自然科學基金（Grant Nos. 62104180、U2241220 和 62421005）、陜西省自然科學基礎研究計劃（Grant No. 2023-JCQN-0669）以及國家輻射應用創新中心基金（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（~8 MV/cm）等優異特性，已成為包括肖特基勢壘二極管（SBD）在內的大功率電子器件的理想材料。然而，SBD 在正向偏壓應力作用下容易發生降解，影響其長期可靠性。本研究旨在探討 FBS 誘導的 β-Ga₂O₃ SBDs 退化機制，重點關注與陷阱（trap）相關的物理過程。

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力對β-氧化鎵（β-Ga₂O₃）肖特基勢壘二極管（SBD）的影響。長時間的應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，新鮮和受應力的 SBD 的反向漏電流均由波爾 - 弗倫克爾（PF）發射主導，而正向電流傳輸機制在受應力后從熱電子發射（TE）轉變為陷阱輔助隧穿（TAT）。深能級瞬態譜（DLTS）結果確定了β-Ga₂O₃ 漂移層內一個本征陷阱 E₂*（E_c - 0.75 eV），這很可能是與鎵空位相關的陷阱。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 - 半導體界面附近陷阱濃度的增加遠大于體內的增加，這確立了該陷阱與小偏壓下的 J_F 和 V_on 之間的關聯。這些發現突顯了陷阱演變在 SBD 電應力下性能退化中的關鍵作用。

4. 創新點

•通過系統性的實驗分析，首次明確了 β-Ga₂O₃ SBD 在 FBS 作用下的陷阱演變機制。

•采用 DLTS 技術檢測到特定陷阱能級，揭示了正向偏壓應力誘導的界面態和體缺陷變化。

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

•研究結果可為提高 β-Ga₂O₃ SBDs 的長期穩定性和可靠性提供指導。

5. 結論

該研究探討了 β-Ga₂O₃ SBD 在正向電應力下的退化機制。隨著應力時間的增加，反向電流和小偏壓下的正向電流均增加，開啟電壓降低。通過深入研究導電機制和陷阱特性（采用 DLTS 測量），我們發現與 E_C-0.75 eV 處的 V_Ga 相關的陷阱 E₂* 增加，導致以 PF 發射機制為主的反向電流增加。靠近金屬-半導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，并導致開啟電壓的負向漂移。有趣的是，觀察到了從界面延伸的準指數陷阱分布，并將其與 β-Ga₂O₃ SBD 電學性能的退化相關聯。本研究建立了陷阱濃度、陷阱空間分布與器件性能隨應力時間變化的關系，為提高 β-Ga₂O₃ SBD 的可靠性提供了有價值的見解。

6. 圖文內容

圖 1. 場板結構 β-Ga₂O₃ SBD 的橫截面示意圖。

圖 2. (a) 正向偏壓應力期間的半對數縮放 J-V 圖和 (b) 線性縮放 J-V 圖。插圖：電流密度為 1 A/cm² 時 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： 器件在不同應力時間下提取的凈載流子濃度與耗盡區深度的關系。

DOI：

doi.org/10.1063/5.0260529

本文轉發自《亞洲氧化鎵聯盟》訂閱號