[論文レビュー] Analytical Modeling and Design of Gallium Oxide Schottky Barrier Diodes Beyond Unipolar Figure of Merit Using High-k Dielectric Superjunction Structures

Saurav Roy, Arkka Bhattacharyya+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2020

Ga2O3 and related materials参考文献 12被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、β-Ga₂O₃ショットキバリアンダイオードにおける一価の図形的指標（FOM）の限界を克服するため、高k誘電体スーパージャンクション構造を提案する。コンフォーマルマッピングとTCADシミュレーションを用いて、最適化されたアスペクト比（10）、誘電率（300）、幅比を実現し、FOMを4倍に向上（40 GW/cm²に達する）ことで、10 mΩ·cm²のオン抵抗で20 kVのブレークダウン電圧を達成した。

ABSTRACT

This work presents the design of beta-Ga2O3 schottky barrier diode using high-k dielectric superjunction to significantly enhance the breakdown voltage vs on-resistance trade-off beyond its already high unipolar figure of merit. The device parameters are optimized using both TCAD simulations and analytical modeling using conformal mapping technique. The dielectric superjunction structure is found to be highly sensitive to the device dimensions and the dielectric constant of the insulator. The aspect ratio, which is the ratio of the length to the width of the drift region, is found to be the most important parameter in designing the structure and the proposed approach only works for aspect ratio much greater than one. The width of the dielectric layer and the dielectric constant also plays a crucial role in improving the device properties and are optimized to achieve maximum figure of merit. Using the optimized structure with an aspect ratio of 10 and a dielectric constant of 300, the structure is predicted to surpass the b-Ga2O3 unipolar figure of merit by four times indicating the promise of such structures for exceptional FOM vertical power electronics.

研究の動機と目的

• β-Ga₂O₃ショットキバリアンダイオードの内在的限界、特に一価の図形的指標（FOM）に起因する制限を克服すること。
• 従来のスーパージャンクション実装を不可能にするβ-Ga₂O₃におけるp型ドーピング不足の課題に対処すること。
• 高k材料を用いた誘電体スーパージャンクション構造を用いて、高ブレークダウン電圧と低オン抵抗のトレードオフを実現すること。
• コンフォーマルマッピングを組み込んだ解析的モデルを構築し、非対称な横方向構造における電界分布を正確に予測すること。
• アスペクト比、幅比、誘電率といったデバイスジオメトリを最適化し、TCADシミュレーションと併用した解析的モデリングにより最大のFOMを達成すること。

提案手法

• 非対称な横方向構造における端効果を扱うために、コンフォーマルマッピングを用いて2次元ポアソン方程式を半導体領域および誘電体領域で解析的に解く解析的モデルを構築した。
• 誘電体スーパージャンクションの複雑な幾何形状を、電界分布と電位の解析的解法が可能な簡略化された領域に変換するために、コンフォーマルマッピングを適用した。
• TCAD Sentaurus シミュレーションを用いて、解析的モデルの妥当性を検証し、現実的な条件下でのデバイスパラメータの最適化を実施した。
• 系統的に主要パラメータ（アスペクト比 L/W、半導体／誘電体幅比 W_S/W_D、誘電率 ε_r）を変化させ、最適な構成を同定した。
• β-Ga₂O₃の単一価FOMを超える性能を評価するため、FOMを BV²/R_on として計算した。
• 誘電率および幾何的比に起因するブレークダウン電圧とオン抵抗の依存関係を調査し、性能の飽和点を同定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 β-Ga₂O₃ショットキダイオードにおける誘電体スーパージャンクション構造が、電界工学を用いて一価のFOMの限界を超えることができるか？
• RQ2 アスペクト比（ドリフト領域の長さ対幅）が、横方向誘電体スーパージャンクションSBDのブレークダウン電圧とFOMにどのように影響を与えるか？
• RQ3 与えられた誘電率において、ブレークダウン電圧を最大限に高めるために最適な半導体／誘電体幅比（W_S/W_D）は何か？
• RQ4 誘電率がブレークダウン電圧とFOMに与える影響は、特にアスペクト比とどのように関係するか？
• RQ5 コンフォーマルマッピングは、非対称な横方向誘電体スーパージャンクション構造における端効果電界をどの程度正確にモデル化できるか？

主な発見

• 誘電体スーパージャンクション構造により、β-Ga₂O₃の単一価FOMを4倍に向上させ、40 GW/cm²のFOMを達成した。
• 顕著な性能向上を得るにはアスペクト比10が必要であり、アスペクト比が1未満の場合は従来のSBDと同等の性能にとどまる。
• 誘電率300を用いることで、10 mΩ·cm²のオン抵抗で20 kVのブレークダウン電圧を達成し、優れたパワーデバイスの可能性を示した。
• 誘電率300、アスペクト比10の条件下で、最適な半導体／誘電体幅比（W_S/W_D）は0.2であり、高k材料では最適値の範囲が狭いことが判明した。
• 低アスペクト比では、誘電率が低いとブレークダウン電圧が飽和するが、アスペクト比が10に設定されている場合、より高い値までブレークダウン電圧を調整可能である。
• 解析的モデルとTCADシミュレーションの間で強い一致が得られたことから、非対称構造における電界分布およびデバイス性能の予測精度が確認された。