超寬禁帶半導(dǎo)體α-Ga2O3 肖特基二極管仿真研究*

賈曉萍寧平凡 楊鄰峰李雄杰牛萍娟

(1.天津工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，天津 300387；2.大功率半導(dǎo)體照明應(yīng)用系統(tǒng)教育部工程研究中心，天津 300387)

半導(dǎo)體材料是現(xiàn)代信息技術(shù)的基礎(chǔ)，對于推動電子、信息、能源等領(lǐng)域的發(fā)展具有非常重要的作用[1-2]。氧化鎵(Ga2O3)[3]作為第四代超寬禁帶半導(dǎo)體材料的代表，常見的晶型有α、β、γ、δ 和ε。據(jù)報道，β-Ga2O3具有最穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)，禁帶寬度約4.8 eV，擊穿場強為8 MV/cm；但α-Ga2O3禁帶寬度可達(dá)5.3 eV，擊穿場強達(dá)10 MV/cm，巴利加優(yōu)值也非常高，同時通過mist CVD 技術(shù)可以得到高質(zhì)量的α-Ga2O3。因此，用α-Ga2O3制備大功率、低損耗和低成本的器件有非常大的潛力[4-8]。

肖特基勢壘二極管(SBD)是一種應(yīng)用非常廣泛的半導(dǎo)體器件，Ga2O3SBD 與GaN SBD 相比，Ga2O3SBD 器件在超高壓、大功率領(lǐng)域具有更加明顯的優(yōu)勢，結(jié)合其高效率、低損耗的優(yōu)點，將有極大可能應(yīng)用在電動汽車、高壓輸電、高速鐵路等領(lǐng)域[5-13]。目前，對于Ga2O3SBD 器件有了一定的研究進展，日本信息通信研究機構(gòu)(NICT)設(shè)計并研制出β-Ga2O3場板結(jié)構(gòu)的SBD，采用HVPE 方法生長Si 摻雜的n-Ga2O3漂移層，最終測試結(jié)果表明，SBD 的導(dǎo)通電阻僅5.1 mΩ·cm2，擊穿電壓高達(dá)1 000 V[3-5]；日本專家Masaya Oda 等人采用Mist Epitaxy 的方法，制備出低成本的α-Ga2O3SBD 器件，其導(dǎo)通電阻為0.1 mΩ·cm2，擊穿電壓為531V[4]。但是，目前對于α-Ga2O3垂直型SBD 器件模型仿真研究比較少。

本文參考β-Ga2O3垂直型SBD 設(shè)計了一種α-Ga2O3垂直型加場板結(jié)構(gòu)的SBD，通過半導(dǎo)體器件仿真軟件進行二維結(jié)構(gòu)設(shè)計與特性提取仿真。分析了4 種半導(dǎo)體器件中常用的絕緣層材料對于α-Ga2O3SBD 電場分布的影響，在以HfO2為絕緣材料基礎(chǔ)上，預(yù)測了場板結(jié)構(gòu)α-Ga2O3SBD 的最大擊穿電壓達(dá)到約1 100 V，這對于器件制備具有重要的參考意義。

1 器件設(shè)計

1.1 器件結(jié)構(gòu)

本文主要參考β-Ga2O3垂直型SBD 器件結(jié)構(gòu)設(shè)計α-Ga2O3垂直型SBD[14]。器件結(jié)構(gòu)主要包括陰極、陽極、n 型襯底、n 型漂移層和絕緣層，其中n 型漂移區(qū)的摻雜濃度和厚度分別設(shè)計為1×1017cm-3和2 μm；為獲得高擊穿電壓和減少模擬時間，設(shè)計n 型襯底為高濃度摻雜，摻雜濃度為1×1019cm-3，厚度為0.2 μm；絕緣層厚度固定選取為100 nm。由于垂直型SBD 的擊穿電壓會受到陽極邊緣局部高電場的限制，因此在垂直型SBD 結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用平面器件中常用的場板結(jié)構(gòu)來降低陽極邊緣的電場，圖1(a)-(b)分別為無場板和場板結(jié)構(gòu)的器件平面圖。

圖1 α-Ga2O3 肖特基二極管(SBD)結(jié)構(gòu)

1.2 α-Ga2O3 材料參數(shù)與主要模型設(shè)置

由于在Atlas 界面材料庫中沒有Ga2O3材料，需要進行自定義。在設(shè)定α-Ga2O3材料參數(shù)模型時，由于目前對于α-Ga2O3材料的研究不充分，對它自身的一些物理參數(shù)無法精確測量。因此，對于建模的部分參數(shù)在參考β-Ga2O3和GaN 的基礎(chǔ)上進行合理設(shè)定。本文一些重要參數(shù)設(shè)置如下:電子親和勢affinity=4.0、300K 時的禁帶寬度eg=5.0、300 K時的導(dǎo)帶密度nc300=3.72×1018、低電場時電子遷移率mum=220、材料的電學(xué)介電常數(shù)permittivity=10 等；同時器件的仿真模型中假設(shè)陽極為肖特基接觸，功函數(shù)為5 eV，陰極接觸為理想的歐姆接觸[3，15]。

為獲得α-Ga2O3垂直型SBD 器件的擊穿特性，本文主要選取碰撞電離的局部電場模型[10，15]，碰撞電離系數(shù)模型基于以下式(1)～式(2):

式中:αn，p是電子和空穴的電離系數(shù)；E是結(jié)構(gòu)中某一位置電流流動方向的電場；AN、AP、BN、BP、BETAN、BETAP 為Impact 模型參數(shù)，只有數(shù)值含義。AN 和BN 參數(shù)是關(guān)于晶格溫度的函數(shù)，其溫度依賴性由以下公式定義式(3)-式(6):

式中:TL為晶格溫度；A.NT、B.NT、A.PT、B.PT、M.ANT、M.BNT、M.APT、M.APT 為晶格溫度模型參數(shù)，只有數(shù)值大小。

2 仿真與結(jié)果

2.1 絕緣層材料的選取

與常見的半導(dǎo)體不同，α-Ga2O3的擊穿場強非常高，因此α-Ga2O3垂直型SBD 器件場板結(jié)構(gòu)下選擇絕緣體非常重要。為了獲得該器件結(jié)構(gòu)合適的絕緣層材料，本文主要選取了半導(dǎo)體器件仿真中常見4 種絕緣材料，分別為SiO2、SiN、Al2O3和HfO2，對應(yīng)的介電常數(shù)εr分別為3.9、7.5、9.1 和25[16-19]；研究場板結(jié)構(gòu)下的絕緣層、漂移層和陽極附近三個典型位置的峰值電場強度與反向偏置電壓的關(guān)系，如圖2 中A、B 和C 位置，其中場板長度選取3 μm。

圖2 α-Ga2O3 SBD 仿真結(jié)構(gòu)和陽極附近區(qū)域放大

分別對于不同的絕緣材料進行了仿真，部分區(qū)域電場分布如圖3(a)-(d)所示，對應(yīng)的電場強度與反向電壓的關(guān)系如圖4(a)-(d)所示，雖然在不同的絕緣材料下，Ga2O3內(nèi)的“B”和“C”處沒有明顯差異，但絕緣層內(nèi)“A”處的電場強度卻對絕緣材料表現(xiàn)出強烈的依賴性。根據(jù)高斯定理ε1E1=ε2E2，給出兩種相鄰材料“1”和“2”的電場和電介常數(shù)之間的關(guān)系；并假設(shè)沒有界面電荷，α-Ga2O3的擊穿場強估值為10 MV/cm。如圖4(a)-(d)所示:盡管SiO2的擊穿場強要比α-Ga2O3高，但由于介電常數(shù)非常低，對于降低電場強度作用比較小，因此SiO2不是一個很好的選擇；SiN 和Al2O3效果比SiO2要好一點，但“A”處的電場強度仍然比較大，限制了性能，其SBD 擊穿電壓估計在800 V～1 000 V 范圍內(nèi)；HfO2是比較好的選擇，由于其非常高的介電常數(shù)，在很大程度上降低了峰值電場強度，可以使SBD 的耐壓特性有所提升。

圖3 采用絕緣材料時，部分區(qū)域電場分布圖

圖4 采用不同絕緣體時，在位置A、B 和C 的電場強度與反向電壓的特性曲線

2.2 場板長度對SBD 性能的影響

在對α-Ga2O3垂直型加場板結(jié)構(gòu)SBD 器件的不同絕緣材料預(yù)測分析中，選擇HfO2絕緣材料且場板厚度不變進行仿真。通過對SBD 陽極加場板以及改變場板的長度，其他量均不變；提取其反向電壓與電流的特性圖，估計反向擊穿電壓的大小，預(yù)測場板和它的長度對器件耐壓性的影響。

由圖5(a)可知場板長度為0，即不加場板時，α-Ga2O3SBD 的反向擊穿電壓大約760 V；加場板后，施加負(fù)電壓，電子從表面推離，增大了邊界的曲面半徑，從而降低了邊界電場，提高了器件的抗擊穿能力。但是，場板結(jié)構(gòu)不是萬能的，增大的邊界不可能無限大，所以需要綜合考慮摻雜濃度、氧化層厚度、材料的介電常數(shù)等來設(shè)計場板的最佳長度，使其擊穿電壓達(dá)到更大值。如圖5 所示，在加1 μm 長度的場板時，擊穿電壓增大到約930 V；當(dāng)場板長度增大到2 μm 的整數(shù)時，擊穿電壓可達(dá)約1 100 V；繼續(xù)增大場板的長度，例如增大到3 μm，則擊穿電壓不再繼續(xù)增大，仍約為1 100 V。因此，通過提取器件的反向I-V 曲線可以找到合適的場板長度，同時發(fā)現(xiàn)α-Ga2O3SBD 的反向耐受電壓可高達(dá)約1 100 V。

圖5 絕緣材料為HfO2 時，不同場板長度下的反向I-V 特性曲線

從仿真結(jié)果可知，場板長度可以增大器件的擊穿性能，但對于SBD 的正向?qū)]有任何影響。如圖6 所示:α-Ga2O3SBD 的開啟電壓約0.8 V，即場板的有無和長度只影響二極管器件的反向擊穿電壓，正向開啟電壓的大小與場板無關(guān)；并且在選取合適的場板長度的基礎(chǔ)上，SBD 的擊穿電壓可以增大到約1 100 V。

圖6 絕緣材料為HfO2 時，不同場板長度下的正向I-V 特性曲線

以上關(guān)于α-Ga2O3SBD 建模仿真結(jié)構(gòu)和特性提取是從比較理想的角度出發(fā)。α-Ga2O3材料詳細(xì)參數(shù)的某些值由于現(xiàn)實技術(shù)的局限性無法精確測出，以及在結(jié)構(gòu)仿真中的網(wǎng)格設(shè)定、模型和數(shù)值計算方法設(shè)定會使仿真結(jié)果跟實際的器件有一定誤差，但是整體上對α-Ga2O3SBD 器件的特性預(yù)測影響比較小。

3 結(jié)論

本文設(shè)計了一種基于超寬禁帶半導(dǎo)體α-Ga2O3垂直結(jié)構(gòu)的肖特基二極管，利用半導(dǎo)體仿真軟件進行二維器件設(shè)計與仿真。針對α-Ga2O3SBD 表面頂部沉淀電介質(zhì)膜的不同絕緣材料，分析相應(yīng)的電場分布。由于HfO2高介電常數(shù)和高擊穿電場，有效降低了陽極邊緣電場強度；在此基礎(chǔ)上加入場板結(jié)構(gòu)以及改變它的長度，提取器件的I-V 特性。仿真結(jié)果表明:場板長度對正向特性無影響，但可以提高器件的反向擊穿電壓；其中α-Ga2O3垂直型SBD 的反向擊穿電壓可達(dá)約1 100 V。預(yù)示著α-Ga2O3垂直型SBD 功率器件可以應(yīng)用于比較高電壓和快速開斷場合。