贾晓萍宁平凡 杨邻峰李雄杰牛萍娟
(1.天津工业大学电气与电子工程学院，天津 300387；
2.大功率半导体照明应用系统教育部工程研究中心，天津 300387)
半导体材料是现代信息技术的基础，对于推动电子、信息、能源等领域的发展具有非常重要的作用[1-2]。氧化镓(Ga2O3)[3]作为第四代超宽禁带半导体材料的代表，常见的晶型有α、β、γ、δ 和ε。据报道，β-Ga2O3具有最稳定的晶体结构，禁带宽度约4.8 eV，击穿场强为8 MV/cm；
但α-Ga2O3禁带宽度可达5.3 eV，击穿场强达10 MV/cm，巴利加优值也非常高，同时通过mist CVD 技术可以得到高质量的α-Ga2O3。因此，用α-Ga2O3制备大功率、低损耗和低成本的器件有非常大的潜力[4-8]。
肖特基势垒二极管(SBD)是一种应用非常广泛的半导体器件，Ga2O3SBD 与GaN SBD 相比，Ga2O3SBD 器件在超高压、大功率领域具有更加明显的优势，结合其高效率、低损耗的优点，将有极大可能应用在电动汽车、高压输电、高速铁路等领域[5-13]。目前，对于Ga2O3SBD 器件有了一定的研究进展，日本信息通信研究机构(NICT)设计并研制出β-Ga2O3场板结构的SBD，采用HVPE 方法生长Si 掺杂的n-Ga2O3漂移层，最终测试结果表明，SBD 的导通电阻仅5.1 mΩ·cm2，击穿电压高达1 000 V[3-5]；
日本专家Masaya Oda 等人采用Mist Epitaxy 的方法，制备出低成本的α-Ga2O3SBD 器件，其导通电阻为0.1 mΩ·cm2，击穿电压为531V[4]。但是，目前对于α-Ga2O3垂直型SBD 器件模型仿真研究比较少。
本文参考β-Ga2O3垂直型SBD 设计了一种α-Ga2O3垂直型加场板结构的SBD，通过半导体器件仿真软件进行二维结构设计与特性提取仿真。分析了4 种半导体器件中常用的绝缘层材料对于α-Ga2O3SBD 电场分布的影响，在以HfO2为绝缘材料基础上，预测了场板结构α-Ga2O3SBD 的最大击穿电压达到约1 100 V，这对于器件制备具有重要的参考意义。
1.1 器件结构
本文主要参考β-Ga2O3垂直型SBD 器件结构设计α-Ga2O3垂直型SBD[14]。器件结构主要包括阴极、阳极、n 型衬底、n 型漂移层和绝缘层，其中n 型漂移区的掺杂浓度和厚度分别设计为1×1017cm-3和2 μm；
为获得高击穿电压和减少模拟时间，设计n 型衬底为高浓度掺杂，掺杂浓度为1×1019cm-3，厚度为0.2 μm；
绝缘层厚度固定选取为100 nm。由于垂直型SBD 的击穿电压会受到阳极边缘局部高电场的限制，因此在垂直型SBD 结构的基础上，采用平面器件中常用的场板结构来降低阳极边缘的电场，图1(a)-(b)分别为无场板和场板结构的器件平面图。
图1 α-Ga2O3 肖特基二极管(SBD)结构
1.2 α-Ga2O3 材料参数与主要模型设置
由于在Atlas 界面材料库中没有Ga2O3材料，需要进行自定义。在设定α-Ga2O3材料参数模型时，由于目前对于α-Ga2O3材料的研究不充分，对它自身的一些物理参数无法精确测量。因此，对于建模的部分参数在参考β-Ga2O3和GaN 的基础上进行合理设定。本文一些重要参数设置如下:电子亲和势affinity=4.0、300K 时的禁带宽度eg=5.0、300 K时的导带密度nc300=3.72×1018、低电场时电子迁移率mum=220、材料的电学介电常数permittivity=10 等；
同时器件的仿真模型中假设阳极为肖特基接触，功函数为5 eV，阴极接触为理想的欧姆接触[3，15]。
为获得α-Ga2O3垂直型SBD 器件的击穿特性，本文主要选取碰撞电离的局部电场模型[10，15]，碰撞电离系数模型基于以下式(1)～式(2):
式中:αn，p是电子和空穴的电离系数；
E是结构中某一位置电流流动方向的电场；
AN、AP、BN、BP、BETAN、BETAP 为Impact 模型参数，只有数值含义。AN 和BN 参数是关于晶格温度的函数，其温度依赖性由以下公式定义式(3)-式(6):
式中:TL为晶格温度；
A.NT、B.NT、A.PT、B.PT、M.ANT、M.BNT、M.APT、M.APT 为晶格温度模型参数，只有数值大小。
2.1 绝缘层材料的选取
与常见的半导体不同，α-Ga2O3的击穿场强非常高，因此α-Ga2O3垂直型SBD 器件场板结构下选择绝缘体非常重要。为了获得该器件结构合适的绝缘层材料，本文主要选取了半导体器件仿真中常见4 种绝缘材料，分别为SiO2、SiN、Al2O3和HfO2，对应的介电常数εr分别为3.9、7.5、9.1 和25[16-19]；
研究场板结构下的绝缘层、漂移层和阳极附近三个典型位置的峰值电场强度与反向偏置电压的关系，如图2 中A、B 和C 位置，其中场板长度选取3 μm。
图2 α-Ga2O3 SBD 仿真结构和阳极附近区域放大
分别对于不同的绝缘材料进行了仿真，部分区域电场分布如图3(a)-(d)所示，对应的电场强度与反向电压的关系如图4(a)-(d)所示，虽然在不同的绝缘材料下，Ga2O3内的“B”和“C”处没有明显差异，但绝缘层内“A”处的电场强度却对绝缘材料表现出强烈的依赖性。根据高斯定理ε1E1=ε2E2，给出两种相邻材料“1”和“2”的电场和电介常数之间的关系；
并假设没有界面电荷，α-Ga2O3的击穿场强估值为10 MV/cm。如图4(a)-(d)所示:尽管SiO2的击穿场强要比α-Ga2O3高，但由于介电常数非常低，对于降低电场强度作用比较小，因此SiO2不是一个很好的选择；
SiN 和Al2O3效果比SiO2要好一点，但“A”处的电场强度仍然比较大，限制了性能，其SBD 击穿电压估计在800 V～1 000 V 范围内；
HfO2是比较好的选择，由于其非常高的介电常数，在很大程度上降低了峰值电场强度，可以使SBD 的耐压特性有所提升。
图3 采用绝缘材料时，部分区域电场分布图
图4 采用不同绝缘体时，在位置A、B 和C 的电场强度与反向电压的特性曲线
2.2 场板长度对SBD 性能的影响
在对α-Ga2O3垂直型加场板结构SBD 器件的不同绝缘材料预测分析中，选择HfO2绝缘材料且场板厚度不变进行仿真。通过对SBD 阳极加场板以及改变场板的长度，其他量均不变；
提取其反向电压与电流的特性图，估计反向击穿电压的大小，预测场板和它的长度对器件耐压性的影响。
由图5(a)可知场板长度为0，即不加场板时，α-Ga2O3SBD 的反向击穿电压大约760 V；
加场板后，施加负电压，电子从表面推离，增大了边界的曲面半径，从而降低了边界电场，提高了器件的抗击穿能力。但是，场板结构不是万能的，增大的边界不可能无限大，所以需要综合考虑掺杂浓度、氧化层厚度、材料的介电常数等来设计场板的最佳长度，使其击穿电压达到更大值。如图5 所示，在加1 μm 长度的场板时，击穿电压增大到约930 V；
当场板长度增大到2 μm 的整数时，击穿电压可达约1 100 V；
继续增大场板的长度，例如增大到3 μm，则击穿电压不再继续增大，仍约为1 100 V。因此，通过提取器件的反向I-V 曲线可以找到合适的场板长度，同时发现α-Ga2O3SBD 的反向耐受电压可高达约1 100 V。
图5 绝缘材料为HfO2 时，不同场板长度下的反向I-V 特性曲线
从仿真结果可知，场板长度可以增大器件的击穿性能，但对于SBD 的正向导通没有任何影响。如图6 所示:α-Ga2O3SBD 的开启电压约0.8 V，即场板的有无和长度只影响二极管器件的反向击穿电压，正向开启电压的大小与场板无关；
并且在选取合适的场板长度的基础上，SBD 的击穿电压可以增大到约1 100 V。
图6 绝缘材料为HfO2 时，不同场板长度下的正向I-V 特性曲线
以上关于α-Ga2O3SBD 建模仿真结构和特性提取是从比较理想的角度出发。α-Ga2O3材料详细参数的某些值由于现实技术的局限性无法精确测出，以及在结构仿真中的网格设定、模型和数值计算方法设定会使仿真结果跟实际的器件有一定误差，但是整体上对α-Ga2O3SBD 器件的特性预测影响比较小。
本文设计了一种基于超宽禁带半导体α-Ga2O3垂直结构的肖特基二极管，利用半导体仿真软件进行二维器件设计与仿真。针对α-Ga2O3SBD 表面顶部沉淀电介质膜的不同绝缘材料，分析相应的电场分布。由于HfO2高介电常数和高击穿电场，有效降低了阳极边缘电场强度；
在此基础上加入场板结构以及改变它的长度，提取器件的I-V 特性。仿真结果表明:场板长度对正向特性无影响，但可以提高器件的反向击穿电压；
其中α-Ga2O3垂直型SBD 的反向击穿电压可达约1 100 V。预示着α-Ga2O3垂直型SBD 功率器件可以应用于比较高电压和快速开断场合。