在10⁷ ions/cm²注量和82.1 MeV⋅cm²/mg LET环境下抗辐照的1.4-kV β-Ga₂O₃异质结势垒肖特基二极管

1.4-kV Irradiation-Hardened β-Ga₂O₃ Heterojunction Barrier Schottky Diode Under 10⁷ ions/cm² Fluence and 82.1 MeV⋅cm²/mg LET Environments

查看原文 · IEEE Xplore DOI: 10.1109/EDL.2025.10937178

作者	Na Sun · Zhengliang Zhang · Feng Zhou · Tianqi Wang · Fang-Fang Ren · Shulin Gu
期刊	IEEE Electron Device Letters
出版日期	2025年3月
技术分类	电动汽车驱动
相关度评分	★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词	单粒子烧毁辐射加固 β - Ga₂O₃异质结势垒肖特基二极管电荷提取千伏级二极管

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中文摘要

空间环境中重离子辐照引发的单粒子烧毁（SEB）对航空航天电力电子器件构成了重大威胁。本研究展示了具有卓越单粒子烧毁能力的抗辐照 <inline-formula xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"> <tex-math notation="LaTeX">$\beta $ </tex-math></inline-formula>-Ga₂O₃异质结势垒肖特基（HJBS）二极管。该器件设计采用了由 p 型氧化镍（NiO）填充的微米级深沟槽以及高介电常数钛酸钡（BaTiO₃）场板（FP）边缘终端结构。这种架构在单粒子辐照期间，通过具有低欧姆接触电阻的嵌入式沟槽 Ni/p - NiO 有效地提取辐射诱导的正电荷（空穴），通过精心设计的电荷泄放路径显著减轻了电荷聚集，同时最大限度地减少了电场分布的不均匀性。因此，HJBS 器件实现了超过 1.4 kV 的单粒子烧毁电压，且单粒子烧毁退化率仅为 9.6%。这是首次展示千伏级抗辐照二极管，其性能指标是迄今为止碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、Ga₂O₃和硅（Si）功率二极管中报道的最佳水平。这项工作凸显了 Ga₂O₃功率二极管在辐照电力应用方面的巨大潜力。

English Abstract

Single event burnout (SEB) caused by heavy ion irradiation in space environments poses a significant threat to aerospace power electronic devices. This work demonstrates irradiation-hardened -Ga2O3 heterojunction barrier Schottky (HJBS) diodes with exceptional SEB capability. The device design incorporates micron-scale deep trenches filled by p-type nickel oxide (NiO) and high-k BaTiO3 field-plate (FP) edge termination. This architecture efficiently extracts radiation-induced positive charges (holes) during single-event irradiation through the trenched-embedded Ni/p-NiO with low Ohmic contact resistance, significantly alleviating charge aggregation while minimizing non-uniform field distributions through strategically engineered charge drainage pathways. As a result, the HJBS device achieves a SEB voltage exceeding 1.4 kV and a SEB degradation rate of only 9.6%. This is the first demonstration of kilovolt-class radiation-hardened diodes, and its performance metrics are the best reported among SiC, GaN, Ga2O3 and Si power diodes to date. This work underscores the great potential of Ga2O3 power diodes for irradiation power applications.

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看，这项1.4kV抗辐照β-Ga₂O₃异质结势垒肖特基二极管技术具有重要的战略参考价值，但其应用场景与公司当前主营业务存在显著差异。

该技术的核心突破在于解决航天环境下重离子辐照引发的单粒子烧毁问题，通过深沟槽p型NiO填充和高介电常数BaTiO3场板设计，实现了超过1.4kV的抗辐照能力和仅9.6%的性能退化率，这在SiC、GaN等宽禁带半导体器件中属于领先水平。对于阳光电源而言，虽然地面光伏逆变器和储能系统无需面对如此极端的辐照环境，但其底层技术逻辑——通过异质结构优化电场分布、利用沟槽结构实现高效电荷管理——与我们在高功率密度逆变器、高压储能变流器中追求的技术方向高度契合。

Ga₂O₃作为超宽禁带半导体（带隙4.8eV），理论上可实现比SiC更高的击穿电压和更低的导通损耗，这对阳光电源开发1500V及以上电压等级的光伏系统、大型储能系统具有吸引力。然而必须清醒认识到，Ga₂O₃功率器件目前仍处于实验室向产业化过渡的早期阶段，面临材料成本高、热导率低（约27 W/m·K，远低于SiC的490 W/m·K）、p型掺杂困难等关键挑战，短期内难以撼动SiC和IGBT在地面应用中的主导地位。

建议公司对Ga₂O₃技术保持战略性跟踪，重点关注其在极端环境应用（如高空光伏无人机、空间站储能系统）的潜力，同时借鉴其电场管理和异质结设计思路，优化现有SiC/GaN器件的可靠性设计。