[论文解读] 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 8

一句话总结

该论文提出了一种用于β-Ga₂O₃肖特基势垒二极管的高-k电介质超结结构，以突破单一极性器件的优值因子（FOM）极限。通过采用保角映射和TCAD仿真，实现了FOM提升4倍，达到40 GW/cm²，其关键在于优化了长宽比（10）、介电常数（300）和宽度比，从而在10 mΩ·cm²导通电阻下实现20 kV的击穿电压。

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.

研究动机与目标

• 克服β-Ga₂O₃肖特基势垒二极管受单一极性优值因子（FOM）限制的固有局限。
• 解决β-Ga₂O₃中p型掺杂不足的问题，该问题阻碍了传统超结结构的实现。
• 通过采用高-k材料的电介质超结结构，实现高击穿电压与低导通电阻之间的协同优化。
• 建立一个结合保角映射的解析模型，以精确预测非对称横向结构中的电场分布。
• 通过解析建模与TCAD仿真相结合，优化器件几何参数（长宽比、宽度比、介电常数），以实现FOM最大化。

提出的方法

• 开发了一种解析模型，通过保角映射求解半导体与电介质区域中的二维泊松方程，以处理非对称横向结构中的边缘电场效应。
• 应用保角映射将电介质超结的复杂几何结构转换为更简单的区域，从而实现电势和电场分布的解析求解。
• 利用TCAD Sentaurus仿真验证解析模型，并在实际条件下优化器件参数。
• 系统性地改变关键参数：长宽比（L/W）、半导体与电介质宽度比（W_S/W_D）以及介电常数（ε_r），以识别最优配置。
• 将优值因子（FOM）定义为BV²/R_on，用于评估其性能是否超越β-Ga₂O₃的单一极性FOM。
• 研究击穿电压与导通电阻对介电常数和几何比的依赖关系，以识别性能饱和点。

实验结果

研究问题

• RQ1 在β-Ga₂O₃肖特基二极管中，通过电场调控，电介质超结结构是否能够突破单一极性FOM的限制？
• RQ2 长宽比（漂移区长度与宽度之比）如何影响横向电介质超结SBD的击穿电压与FOM？
• RQ3 在给定介电常数下，使击穿电压最大化的半导体与电介质宽度比（W_S/W_D）的最优值是什么？
• RQ4 介电常数如何影响击穿电压与FOM，特别是在与长宽比关联时？
• RQ5 保角映射在多大程度上能够准确模拟非对称横向电介质超结结构中的边缘电场？

主要发现

• 电介质超结结构使优值因子（FOM）相比β-Ga₂O₃的单一极性FOM提升了4倍，达到40 GW/cm²。
• 需要长宽比为10才能实现显著的性能提升；当长宽比小于1时，性能与传统SBD无异。
• 当介电常数为300时，在10 mΩ·cm²导通电阻下实现了20 kV的击穿电压，展现出卓越的功率器件潜力。
• 在介电常数为300、长宽比为10的条件下，最优的半导体与电介质宽度比（W_S/W_D）为0.2，且高-k材料的最优值范围较窄。
• 对于低长宽比，击穿电压在较低介电常数下即出现饱和；但当长宽比为10时，击穿电压仍可调至更高值。
• 解析模型与TCAD仿真的强一致性证实了该模型在预测非对称结构中电场分布与器件性能方面的准确性。