基于蒙特卡洛方法的β-Ga2O3肖特基势垒二极管质子辐照效应研究

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0190

摘要/Abstract

摘要： 本文利用基于蒙特卡洛方法的SRIM-2013软件，模拟10~1 000 keV能量质子对β-Ga₂O₃的辐照损伤，并结合热电子发射（TE）模型研究质子辐照对β-Ga₂O₃肖特基势垒二极管（SBD）反向漏电性能的影响。模拟结果表明，核外电子阻止能力远大于原子核阻止能力。随着质子辐照剂量增加，原子平均离位（DPA）和Ga空位（V_Ga）浓度逐渐增大，峰值分别为0.007 65和3.48×10²⁰ cm^-3。随着辐照能量增加，虽然辐照损伤逐渐深入到β-Ga₂O₃靶材内部，但是DPA和V_Ga浓度逐渐降低。热电子发射模型分析表明，当载流子浓度从1×10¹⁹ cm^-3降低到1×10¹⁶ cm^-3时，反向漏电流密度减小，器件反向漏电性能得到明显改善。质子辐照产生的大量V_Ga补偿部分载流子，削弱了镜像力对肖特基势垒的影响，可能是β-Ga₂O₃ SBD器件反向漏电性能改善的主要原因。

关键词: β-Ga₂O₃; 质子辐照; SRIM; 肖特基势垒二极管; 热电子发射

Abstract: In this paper，the SRIM-2013 sofware based on Monte Carlo method was used to simulate the irradiation damage of β-Ga₂O₃ by protons with energy of 10 ~ 1 000 keV，and by combining with the thermionic emission （TE） model，the effect of proton irradiation on the reverse leakage performance of β-Ga₂O₃ Schottky barrier diode （SBD） was studied. The simulation results indicate that the stopping power of extranuclear electrons is much greater than stopping power of atomic nucleus. With the proton irradiation dose increases，the displacement per atom （DPA） and Ga vacancy （V_Ga） concentrations gradually increase，with peak values of 0.007 65 and 3.48 × 10²⁰ cm^-3，respectively. With the irradiation energy increases，the irradiation damage gradually penetrates into the interior of β-Ga₂O₃ target，but the DPA and V_Ga concentrations gradually decrease. The analysis of the TE model shows that when the carrier concentration decreases from 1×10¹⁹ cm^-3 to 1×10¹⁶ cm^-3，the reverse leakage current density decreases，the device reverse leakage performance is significantly improved. The large amount of V_Ga generated by proton irradiation compensates some carrier，weakening the effect of mirror force on the Schottky barrier，which may be the main reason for the improvement of the reverse leakage performance of β-Ga₂O₃ SBD devices.

Key words: β-Ga₂O₃; proton irradiation; SRIM; Schottky barrier diode; thermionic emission

中图分类号:

TN31

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图/表 9

图1 不同能量质子在β-Ga2O3中的平均投影射程及拟合结果

Fig.1 Average projection range and fitting results of protons with different energy in β-Ga2O3

表1 不同质子能量对应的 β -Ga2O3靶材厚度

Table 1 Thickness of β -Ga2O3 target corresponding to different proton energies

Proton energy/keV	10	20	50	100	200	350	500	750	1 000
Thickness of β-Ga₂O₃ target/μm	0.2	0.3	0.5	0.8	1.5	2.5	4.0	6.5	10.0

图2 不同能量质子辐照下电子阻止能力和核阻止能力（a）与电离能量损失和空位能量损失（b）

Fig.2 Electron stopping power and nuclear stopping power （a） and ionization energy loss and vacancy energy loss （b） under irradiation of protons with different energy

图3 DPA随靶材厚度的变化曲线。（a）不同剂量质子辐照；（b）不同能量质子辐照

Fig.3 Variation curves of DPA with target thickness. （a） Under irradiation of protons with different doses；（b） under irradiation of protons with different energy

图4 VGa浓度随靶材深度的变化曲线。（a）不同能量质子辐照；（b）不同剂量质子辐照

Fig.4 Variation curves of VGa concentration with target depth. （a） Under irradiation of protons with different energy；（b） under irradiation of protons with different doses

表2 质子注入能量和剂量

Table 2 Proton injection energy and doses

Frequency	Proton injection energy/keV	Proton injection dose/cm^-2
First	10	1×10¹³
Second	50	1×10¹³
Third	100	7×10¹²

图5 不同能量质子辐照后VGa浓度分布随靶材深度变化曲线

Fig.5 Variation curves of VGa concentration distribution with target depth after irradiation of protons with different energy

图6 β-Ga2O3 SBD肖特基势垒降低量随外加反向偏压的变化曲线（a）与随施主浓度变化曲线（b）

Fig.6 ΔφB of β-Ga2O3 SBD. （a） Variation curves with applied reverse bias voltage；（b） variation curves with donor concentrations

图7 不同载流子浓度下β-Ga2O3 SBD反向漏电流密度随外加反向偏压变化曲线

Fig.7 Variation curves of reverse leakage current density of β-Ga2O3 SBD with applied reverse bias voltage different electron concentrations

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基于蒙特卡洛方法的β-Ga₂O₃肖特基势垒二极管质子辐照效应研究

Proton Irradiation Effect of β -Ga₂O₃ Schottky Barrier Diode Based on Monte Carlo Method

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