氧化镓肖特基二极管高压终端结构设计

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氧化镓(Ga2O3)材料是一种新兴的超宽禁带半导体材料,具有4.8e V的超大的禁带宽度和8MV/cm的超高的理论击穿场强。同时,它的Baliga优值(BFOM)是4H-Si C的8倍和Ga N的4倍。这些优越的性质使得Ga2O3肖特基二极管(Schottky Barrier Diode,SBD)在理论上能够取得非常理想的电学特性,近年来已成为全球研发的热点。本文围绕Ga2O3肖特基二极管终端结构设计,以仿真为主要手段,应用仿真工具“Silvaco”,设计附带高阻区、场板、斜角以及它们复合等终端结构的器件模型,探索参数优化和结构设计等对器件特性的影响,重点研究击穿电压、导通电阻和Baliga优值。我们得到以下结论:第一,了解Ga2O3材料的基本性质和肖特基二极管的工作原理。熟练使用“Silvaco”仿真工具的Dev Edit器件编辑器、Athena工艺仿真器和Atlas器件仿真器。结合Ga2O3肖特基二极管的材料参数和器件特性,选取和调试正确的仿真物理模型。这些都是确保后续仿真准确性的关键性因素。第二,仿真设计基础结构的Ga2O3肖特基二极管,得到击穿电压-519V、导通电阻5.68mΩ?cm2以及Baliga优值0.05GW/cm2等数据,为后续附加各种终端结构以获得更加良好的电学性能奠定了基础。第三,仿真设计附加高阻终端结构包括绝缘介质、低掺杂、离子注入和热氧化等的Ga2O3肖特基二极管,探究不同类型的高阻终端结构对器件电学性能的影响。结果显示,高阻终端结构对提升器件的反向特性很有帮助,但几乎全部的高阻终端结构都会增大器件的导通电阻,只是由于终端结构面积很小,所以效果不明显。第四,仿真设计附加场板终端结构包括单级场板、多级场板、场板沟槽复合等的Ga2O3肖特基二极管,探究不同场板参数和结构对器件电学性能的影响。研究发现,场板终端结构使得整个器件的峰值电场处由Ga2O3漂移层表面变成了绝缘介质的表面,因此需要提高绝缘介质的质量,以防止其提前击穿。场板终端结构对器件的正向特性几乎没有影响,这是非常有利的。随着单级场板长度的增加,器件的击穿电压逐渐增大,但增大幅度逐渐不明显。多级场板终端结构十分有效的缓解了绝缘介质的峰值场强,对于避免绝缘介质提前击穿有着非常显著的作用。尝试设计沟槽与场板复合的终端结构,以提升器件的击穿电压和Baliga优值。第五,仿真设计附加斜角终端结构的Ga2O3肖特基二极管,倾斜角度分别选取正斜角的2°、30°、45°、60°、90°和负斜角的120°、150°,探究不同倾斜角度的斜角终端结构对器件电学性能的影响。研究表明,较小斜角如2°斜角终端结构可以明显的改善器件的正向和反向特性。尝试设计斜角与场板复合的终端结构,优化参数,以寻求更大的击穿电压和Baliga优值。
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