場板結終端對金剛石SBD內部電場分布及擊穿特性的影響

王進軍,王曉亮，張景文，王　俠

(1.西安交通大學 陜西省信息光電子技術重點實驗室,陜西 西安　710049；2.陜西科技大學 理學院，陜西 西安　710021；3.中國科學院半導體研究所 半導體材料科學重點實驗室,北京　100083；4.西安科技大學 電氣與控制工程學院，陜西 西安　710054)

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場板結終端對金剛石SBD內部電場分布及擊穿特性的影響

王進軍1,2,王曉亮1,3*，張景文1，王俠4

(1.西安交通大學 陜西省信息光電子技術重點實驗室,陜西 西安710049；2.陜西科技大學 理學院，陜西 西安710021；3.中國科學院半導體研究所 半導體材料科學重點實驗室,北京100083；4.西安科技大學 電氣與控制工程學院，陜西 西安710054)

建立了場板結終端對金剛石肖特基勢壘二極管(SBD)的數值模擬模型，采用Silvaco軟件中的器件仿真工具ATLAS模擬了場板長度L、絕緣層厚度TOX、襯底摻雜濃度NB、場板結構形狀對器件內部電場分布以及擊穿電壓的影響，并對結果進行了物理分析和解釋。結果表明：當TOX=0.4 μm、NB=1015cm-3、L在0～0.2 μm范圍內時，擊穿電壓隨著L的增加而增加；L>0.2 μm后，擊穿電壓開始下降。當L=0.2 μm、NB=1015cm-3、TOX在0.1～0.4 μm范圍內時，擊穿電壓隨著TOX的增加而增加；TOX>0.4 μm后，擊穿電壓開始下降。當L=0.2 μm、TOX=0.4 μm、NB=1015cm-3時，器件的擊穿電壓達到最大的1 873 kV。與普通場板結構相比，采用臺階場板可以更加有效地提高器件的擊穿電壓。

場板結終端; 金剛石SBD; 電場分布; 擊穿電壓

*Corresponding Author,E-mail:xlwang@semi.ac.cn

1　引　　言

與傳統半導體材料Si、Ge、GaAs相比，金剛石以其優良的電學和熱學特性成為制造高溫、大功率、高頻微波及抗輻照電子器件的理想材料[1-2]。然而在平面工藝所制備的半導體器件中，結總是有限大小的，存在中斷界面，并且在邊角之處的結面近似于柱面或球面，而并非是理想的平面。正是由于結面在邊角區域的曲率大的影響，其峰值電場尤其是表面區域的峰值電場比體內高，擊穿通常發生在表面，導致器件的耐壓常常由表面擊穿所決定，實際的平面結的擊穿電壓要低于理想的平面結擊穿電壓[3-5]。為了提高器件的擊穿電壓，工程上常常采用一些特殊的表面造型(結終端)來增加曲率半徑，使器件表面的峰值電場降低，其中最常見的一種結終端就是場板[6-7]。

本文采用Silvaco軟件中的器件仿真工具ATLAS編輯了場板結終端金剛石肖特基勢壘二極管(SBD)的器件結構，模擬了場板長度、絕緣層厚度、襯底摻雜濃度、場板結構形狀對器件內部電場分布以及擊穿電壓的影響。研究結果對場板結終端金剛石SBD的優化設計提供了必要的指導。

2　場板結終端金剛石SBD數值模擬模型

由于肖特基二極管的二維結構左右是對稱的，所以為了提高數值計算的速度和精度，仿真的結構取為實際結構的1/2。采用Silvaco的器件仿真工具Atlas編輯得到的場板金剛石肖特基二極管結構如圖1所示。器件中金剛石選擇用摻硼的P型金剛石薄膜，厚度為12 μm；肖特電極金屬采用Au實現，厚度為2 μm；歐姆電極金屬采用Ti實現，厚度為1 μm；絕緣層材料為SiO2[8-9]。 圖1中通過將主結邊緣SiO2層上肖特基電極的Au加以延伸形成金屬場板。

圖1　場板結終端金剛石肖特基勢壘二極管結構

Fig.1Structure of field plate terminal diamond Schottky barrier diode

3　場板結終端對金剛石SBD內部電場分布及擊穿電壓的影響

模擬金剛石肖特基勢壘二極管的反向擊穿電壓時需要確定金剛石材料的碰撞電離系數。但目前對于金剛石材料的碰撞電離系數還沒有統一、精確的數值[10]。在此次模擬中，電子碰撞電離系數αn=1.935×108，空穴碰撞電離系數αp=7.749×106。

3.1場板長度對器件內部電場分布及擊穿電壓的影響

當金剛石中硼摻雜濃度NB=1×1015cm-3、場板下SiO2絕緣層厚度TOX=0.4 μm、場板長度L分別為0.0 μm(即沒有加金屬場板)和1.0 μm時，器件內部電場分布的ATLAS數值模擬結果如圖2所示。

從圖2(a)中可以看出，沒有加金屬場板的器件中只有1個電場峰值，電場峰值位于器件主結邊緣，即金剛石、SiO2和肖特基金屬電極Ti的交點處。從圖2(b)中可以看出，加有1.0 μm金屬場板的器件中有2個電場峰值，一個位于器件主結邊緣，另一個位于SiO2層中場板末端的拐角位置處。

圖3分別給出了NB=1×1015cm-3、TOX=0.4 μm、場板長度L=0.0，1.0，2.2 μm時的器件內部電場的三維分布ATLAS數值模擬結果。從圖3(a)中可以看出，沒有加金屬場板的器件主結邊緣電場峰值約為1.4×105V/cm；從圖3(b)中可以看出，加有1.0 μm金屬場板的器件主結邊緣電場峰值約為1.1×105V/cm，場板末端的拐角位置處電場峰值約為9.5×104V/cm；從圖3(c)中可以看出，加有2.2 μm金屬場板的器件主結邊緣電場峰值和場板末端的拐角位置處電場峰值大致相等，約為1.0×105V/cm。

圖2NB=1×1015cm-3、TOX=0.4 μm時，器件內部的電場分布。(a)L=0 μm；(b)L=1.0 μm。

Fig.2Distribution of the electric field inside the device when NB=1×1015cm-3,TOX=0.4 μm.(a)L=0 μm.(b)L=1.0 μm.

可見，加了金屬場板后器件主結邊緣電場峰值明顯小于不加場板的常規器件。這主要是因為器件外加反向偏壓后，金剛石表面的耗盡區向場板邊緣擴展，使得器件表面耗盡層展寬，降低了耗盡層的曲率，擴大了電場線的空間分布，減小了電場線密度，緩解了電場集中效應，從而使得器件主結峰值電場降低。

器件擊穿電壓隨場板長度變化的ATLAS模擬結果如圖4所示。從圖4中可以看出，擊穿電壓隨著場板長度的增加而先變大后變小，當NB=1×1015cm-3、TOX=0.4 μm、L=0.2 μm時，肖特基二極管的擊穿電壓達到最大的1 873 kV。這主要是因為隨著場板長度的增加，金剛石中的電場峰值逐漸減小，SiO2層中電場峰值逐漸增加。器件的擊穿電壓開始會隨著金剛石中電場強度的減小而增大，但這種增大不能一直持續下去。隨著SiO2層中電場強度達到其臨界擊穿電壓，SiO2發生擊穿，場板失去作用，導致器件擊穿電壓下降。可見設計器件時，場板的長度不能太長也不能太短，需要進行優化設計。

圖3NB=1×1015cm-3、TOX=0.4 μm時，器件內部電場的三維分布。(a)L=0 μm；(b)L=1.0 μm；(c)L=2.2 μm。

Fig.33D distribution of the electric field inside the device when NB=1×1015cm-3,TOX=0.4 μm.(a)L=0 μm.(b)L=1.0 μm.(c)L=2.2 μm.

圖4NB=1×1015cm-3、TOX=0.4 μm時，器件擊穿電壓隨場板長度的變化。

Fig.4Breakdown voltage of device changes with the length of the field plate when NB=1×1015cm-3,TOX=0.4 μm.

3.2絕緣層厚度對器件內部電場分布及擊穿電壓的影響

當金剛石中硼摻雜濃度NB=1×1015cm-3、場板長度L=0.2 μm、金屬場板下SiO2絕緣層厚度TOX分別為0.1 μm和1.0 μm時，器件內部電場的三維分布ATLAS模擬數值結果如圖5所示。從圖5可以看出，TOX較小時，SiO2層中的電場峰值比較大。這主要是因為加了肖特基Ti金屬場板以后，在場板的延伸區由Ti、SiO2和金剛石形成了一個MIS電容，SiO2層充當電容層間絕緣介質。所以在施加相同電壓時，TOX較小時的絕緣層內部電場強度較大。

圖5NB=1×1015cm-3、L=0.2 μm時，器件內部電場的三維分布。(a)TOX=0.1 μm；(b)TOX=1.0 μm。

Fig.53D distribution of the electric field inside the device when NB=1×1015cm-3,L=0.2 μm.(a)TOX=0.1 μm.(b)TOX=1.0 μm.

當NB=1×1015cm-3、場板長度L=0.2 μm時，器件擊穿電壓隨金屬場板下SiO2層厚度TOX的變化如圖6所示。從圖6中可以看出，擊穿電壓隨著SiO2層厚度TOX的增加先增大后減小，在TOX=0.4 μm時達到最大。這主要是因為在施加相同電壓時，SiO2層越厚則絕緣層內的電場強度越小，電場不足以使得金剛石表面耗盡，導致耗盡層變薄，器件擊穿電壓下降。因此，金屬場板下SiO2層的厚度太厚或太薄都不利于擊穿電壓的提高，存在一個優化取值范圍。

圖6NB=1×1015cm-3、L=0.2 μm時，擊穿電壓隨絕緣層厚度的變化。

Fig.6Breakdown voltage of device changes with the thickness of the insulating layer when NB=1×1015cm-3,L=0.2 μm.

3.3摻雜濃度對器件內部電場分布及擊穿電壓的影響

當場板長度L=0.2 μm、金屬場板下SiO2絕緣層厚度TOX=0.4 μm、金剛石中硼摻雜濃度NB分別為5×1014cm-3和5×1015cm-3時，器件內部電場的三維分布ATLAS模擬數值結果如圖7所示。從圖7可以看出，NB較大時，器件主結的電場峰值比較大，近似為NB=5×1014cm-3時的2倍。這主要是因為金剛石中硼摻雜濃度越高，則主結下耗盡區越窄，耗盡區曲率半徑越小，電場越集中，峰值電場越大，如圖8所示。

當場板長度L=0.2 μm、金屬場板下SiO2絕緣層厚度TOX=0.4 μm時，器件擊穿電壓隨金剛石中硼摻雜濃度NB的變化如圖9所示。從圖9中可以看出，擊穿電壓隨摻雜濃度的變化出現2個峰值，其中右邊峰值對應主結附近擊穿電壓與摻雜濃度的變化關系，左邊峰值對應場板末端拐角處擊穿電壓與摻雜濃度的變化關系。不管是主結還是場板末端拐角處，當摻雜濃度NB太低或者太高時，器件的擊穿電壓都比較低。這主要是因為NB越低，則耗盡區越寬，載流子加速時間越長，從電場獲取能量越大，碰撞電離越顯著，器件越容易發生雪崩擊穿；NB濃度太高，則耗盡區越窄，此時隧道效應越顯著，器件越容易發生齊納擊穿。可見制備器件時金剛石中硼摻雜濃度NB不能太高也不能太低，有一個優化取值范圍。

圖7TOX=0.4 μm、L=0.2 μm時，器件內部電場的三維分布。(a)NB=5×1014cm-3；(b)NB=5×1015cm-3。

Fig.73D distribution of the electric field inside the device when TOX=0.4 μm,L=0.2 μm.(a)NB=5×1014cm-3.(b)NB=5×1015cm-3.

圖8TOX=0.4 μm、L=0.2 μm時，器件內部的電場分布。(a)NB=5×1014cm-3;(b)NB=5×1015cm-3。

Fig.8Distribution of the electric field inside the device when TOX=0.4 μm,L=0.2 μm.(a)NB=5×1014cm-3.(b)NB=5×1015cm-3.

圖9TOX=0.4 μm、L=0.2 μm時，器件擊穿電壓隨金剛石中硼摻雜濃度的變化。

Fig.9Breakdown voltage of device changes with the concentration of boron doping in diamond when TOX=0.4 μm,L=0.2 μm.

3.4場板形狀對器件內部電場分布的影響

由于場板末端的絕緣層中電場峰值的影響，絕緣層很容易發生提前擊穿，導致器件的擊穿電壓降低。為進一步提高器件擊穿電壓，本文中設計了一種臺階場板結構，如圖10所示。與普通場板不同，臺階場板的金屬和絕緣層的交界面不是豎直的，而是普通場板分成了5個臺階。因而絕緣中的電場峰值也不再是一個，在各個拐角位置都出現了電場峰值。

圖10　臺階場板金剛石SBD

圖11給出了臺階場板和普通場板金剛石SBD內部電場的三維分布。從圖11(a)中可以看出，絕緣層中電場峰值數目與臺階的數目相同，電場峰值分別位于各個臺階的拐角處，臺階場板器件中主結電場峰值約為1×105V/cm；而在相同參數下，普通場板器件中的電場峰值約為1.2×105V/cm。結果表明，臺階場板的電場峰值比普通場板明顯降低，降低的部分由臺階拐角處的電場峰值分擔，采用臺階場板可以進一步提高金剛石SBD的擊穿電壓。

圖11器件內部的電場三維分布。(a)臺階場板；(b)普通場板。

Fig.113D distribution of the electric field inside the device.(a)Steps field plate.(b)Ordinary field plate.

4　結　　論

在建立了場板結終端對金剛石SBD的數值模擬模型的基礎上，采用Silvaco軟件中的器件仿真工具ATLAS模擬了場板長度L、絕緣層厚度TOX、襯底摻雜濃度NB、場板結構形狀對器件內部電場分布以及擊穿電壓的影響，并對結果進行了物理分析和解釋。結果表明：場板長度L、絕緣層厚度TOX、襯底摻雜濃度NB對器件內部電場分布以及擊穿電壓的影響規律基本一致。TOX=0.4 μm、NB=1015cm-3、L在0～0.2 μm范圍內時，擊穿電壓隨著L的增加而增加；L>0.2 μm后，擊穿電壓開始下降。L=0.2 μm、NB=1015cm-3、TOX在0.1～0.4 μm范圍內時，擊穿電壓隨著TOX的增加而增加；TOX>0.4 μm后，擊穿電壓開始下降。L=0.2 μm、TOX=0.4 um、NB=1015cm-3時，器件的擊穿電壓達到最大的1 873 kV。與普通場板結構相比，采用臺階場板可以更加有效地提高器件的擊穿電壓。以上研究結果對場板結終端金剛石SBD的優化設計提供了必要的指導。

[1] JAYANT BALIGA B.Fundamentals of Power Semiconductor Devices [M].New York:Springer,2008:112-188.

[2] CHOW T P,TYAGI R.Wide bandgap compound semiconductors for superior high-voltage unipolar power devices[J].IEEE Trans.Electron.Dev.,1994,41(8):1481-1483.

[3] NAWAWI A,TSENG K J,RUSLI G A J,et al..Design and optimization of planar mesa termination for diamond Schottky barrier diodes [J].Diam.Relat.Mater.,2013,36:51-57.

[4]BLANK V D,BORMASHOV V S,TARELKIN S A,et al..Power high-voltage and fast response Schottky barrier diamond diodes [J].Diam.Relat.Mater.,2015,57:32-36.

[5]FAGGIO G,MESSINA G,SANTANGELO S,et al..Raman scattering in boron-doped single-crystal diamond used to fabricate Schottky diode detectors [J].J.Quant.Spectrosc.Radiat.Trans.,2012,113(18):2476-2481.

[6]MURET P,VOLPE P N,TRAN-THI T N,et al..Schottky diode architectures on p-type diamond for fast switching,high forward current density and high breakdown field rectifiers [J].Diam.Relat.Mater.,2011,20(3):285-289.

[7] ACHARD J,ISSAOUI R,TALLAIRE A,et al..Freestanding CVD boron doped diamond single crystals:A substrate for vertical power electronic devices? [J].Phys.Stat.Sol.(a),2012,209(9):1651-1658.

[8] UMEZAWA H,NAGASE M,KATO Y,et al..Diamond vertical Schottky barrier diode with Al2O3field plate [J].Mater.Sci.Forum,2012,717-720:1319-1321.

[9] IKEDA K,UMEZAWA H,TATSUMI N,et al..Fabrication of a field plate structure for diamond Schottky barrier diodes [J].Diam.Relat.Mater.,2009,18(2-3):292-295.

[10] KONE S,DING H,SCHNEIDER H,et al..High performances CVD diamond Schottky barrier diode-Simulation and carrying out [C].Proceedings of The 13th European Conference on Power Electronics and Applications,Barcelona,Spain,2009:1-8.

王進軍(1980-)，男，陜西禮泉人，博士研究生，講師，2007年于西北大學獲得碩士學位，主要從事寬禁帶半導體材料生長與器件制備的研究。

E-mail:wangjinjun6113@126.com

王曉亮(1963-)，男，陜西渭南人，博士，研究員，1995年于中國科學院西安光學精密機械研究所獲得博士學位，主要從事Ⅲ-Ⅴ族氮化物寬禁帶半導體信息功能材料的外延生長、物理與器件制備以及材料生長關鍵設備MOCVD的研究。

E-mail：xlwang@semi.ac.cn

Influence of Field Plate Terminal on The Electric Field Distribution and Breakdown Characteristics of Diamond SBD

WANG Jin-jun1,2，WANG Xiao-liang1,3*，ZHANG Jing-wen1，WANG Xia4

(1.Shaanxi Key Laboratory of Photonics Technology for Information,Xi’an Jiaotong University,Xi’an 710049，China；2.College of Science,Shaanxi University of Science & Technology,Xi’an 710021，China；3.Key Laboratory of Semiconductor Materials Science,Institute of Semiconductors,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100083,China；4.College of Electrical and Control Engineering,Xi’an University of Science & Technology,Xi’an 710054，China)

Numerical simulation model of field plate termination diamond Schottky barrier diode(SBD) was established in this paper,the influence of the field plate length L,insulating layer thickness TOX,substrate doping concentration NB,and the structure shape of the field plate on the electric field distribution inside the device and the influence of breakdown voltage of diamond SBD were numerical simulated by Silvaco device simulation tools ATLAS.The results of numerical simulation were analyzed and explained physically.The breakdown voltage increases with the increasing length of the field plate within the range of 0.0 to 0.2 μm when TOX=0.4 μm and NB=1015cm-3,and decreases when L>0.2 μm.The breakdown voltage increases with the increasing of insulating layer thickness TOXwithin the range of 0.1 to 0.4 μm when L=0.2 μm and NB=1015cm-3,and decreases when TOX>0.4 μm.The breakdown voltage of the device reaches its maximum 1 873 kV when L=0.2 μm,TOX=0.4 μm,and NB=1015cm-3.The steps field plate can effectively improve the breakdown voltage of the device,compared with the ordinary field plate structure．

field plate termination; diamond Schottky barrier diode; electric field distribution; breakdown voltage

2015-12-21；

2016-01-18

2015年陜西省教育廳專項科研計劃(15JK1096)資助項目

1000-7032(2016)04-0432-07

TN383+.1

A

10.3788/fgxb20163704.0432