[논문 리뷰] Analytical Modeling and Design of Gallium Oxide Schottky Barrier Diodes Beyond Unipolar Figure of Merit Using High-k Dielectric Superjunction Structures

Saurav Roy, Arkka Bhattacharyya외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 01.

Ga2O3 and related materials참고 문헌 12인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 β-Ga₂O₃ 슈트키 장벽 다이오드의 단일극성 도가 지표(FOM) 한계를 극복하기 위해 고-k 다이에렉트릭 슈퍼제션 구조를 제안한다. 유연한 매핑과 TCAD 시뮬레이션을 통해 최적화된 길이비(10), 유전율(300), 폭 비율을 통해 FOM이 4배 향상되어 40 GW/cm²에 도달하였으며, 이는 10 mΩ·cm²의 온저항에서 20 kV의 차폐 전압을 실현한다.

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.

연구 동기 및 목표

• β-Ga₂O₃ 슈트키 장벽 다이오드의 단일극성 도가 지표(FOM)에 의해 제약받는 본질적 한계를 극복한다.
• 기존 슈퍼제션 실현이 불가능하게 만드는 β-Ga₂O₃의 수형 doping 부족 문제를 해결한다.
• 고-k 재료를 사용한 다이에렉트릭 슈퍼제션 구조를 통해 고차폐 전압과 저온저항의 상호 보완적 특성을 실현한다.
• 비대칭 횡방향 구조에서 전기장 분포를 정확히 예측하기 위해 유연한 매핑을 통합한 분석 모델을 개발한다.
• 분석 모델과 TCAD 시뮬레이션을 병행하여 기하학적 매개변수(길이비, 폭 비율, 유전율)를 최적화해 최대 FOM을 도출한다.

제안 방법

• 비대칭 횡방향 구조에서의 산란 전기장 문제를 다루기 위해, 반도체 및 다이에렉트릭 영역에서 2차원 포아송 방정식을 유연한 매핑을 통해 해석적으로 해결하는 분석 모델을 개발하였다.
• 다이에렉트릭 슈퍼제션의 복잡한 기하구조를 단순한 영역으로 변환하기 위해 유연한 매핑을 적용하여 전기적 잠재력과 전기장의 해석적 해를 도출하였다.
• 실제 조건에서의 장치 파arameter 최적화와 분석 모델의 검증을 위해 TCAD Sentaurus 시뮬레이션을 활용하였다.
• 주요 매개변수를 체계적으로 변화시켜 길이비(L/W), 반도체 대 다이에렉트릭 폭 비율(W_S/W_D), 유전율(ε_r)을 분석하였다.
• 성능 평가를 위해 BV²/R_on으로 정의된 도가 지표(FOM)를 계산하였다.
• 유전율과 기하학적 비율이 차폐 전압과 온저항에 미치는 영향을 분석하여 성능 포화 지점을 규명하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 β-Ga₂O₃ 슈트키 다이오드에 다이에렉트릭 슈퍼제션 구조를 도입하여 전기장 공학을 통해 단일극성 FOM 한계를 초월할 수 있는가?
• RQ2 길이비(드프트 영역의 길이 대 폭 비율)는 횡방향 다이에렉트릭 슈퍼제션 SBD에서 차폐 전압과 FOM에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 주어진 유전율에서 최대 차폐 전압을 달성하기 위한 최적의 반도체 대 다이에렉트릭 폭 비율(W_S/W_D)은 얼마인가?
• RQ4 유전율은 차폐 전압과 FOM에 어떤 영향을 미치며, 특히 길이비와의 관계에서 어떻게 작용하는가?
• RQ5 유연한 매핑은 비대칭 횡방향 다이에렉트릭 슈퍼제션 구조에서 산란 전기장을 얼마나 정확히 모델링할 수 있는가?

주요 결과

• 다이에렉트릭 슈퍼제션 구조는 β-Ga₂O₃의 단일극성 FOM 대비 4배 향상된 도가 지표(FOM)를 실현하여 40 GW/cm²에 도달하였다.
• 유의미한 성능 향상을 얻기 위해서는 길이비가 10이 되어야 하며, 길이비가 1 이하일 경우 기존 SBD와 유사한 성능에 머무른다.
• 유전율가 300일 경우, 온저항 10 mΩ·cm²에서 20 kV의 차폐 전압을 달성하였으며, 이는 뛰어난 파워 디바이스 잠재력을 보여준다.
• 유전율가 300이고 길이비가 10일 경우 최적의 반도체 대 다이에렉트릭 폭 비율(W_S/W_D)은 0.2이며, 고-k 재료의 경우 최적값의 범위가 매우 좁다.
• 낮은 길이비에서 유전율이 낮을 경우 차폐 전압은 포화 상태에 도달하지만, 길이비가 10일 경우 더 높은 값까지 조절 가능하다.
• 분석 모델과 TCAD 시뮬레이션 간의 높은 일치도는 비대칭 구조에서 전기장 분포 및 장치 성능 예측의 정확성을 확인한다.