TỔNG QUAN
Vật liệu bán dẫn độ rộng vùng cấm lớn và Gallium Oxide
Linh kiện điện tử công suất là các thiết bị bán dẫn quan trọng trong ngành năng lượng tái tạo, thiết bị lưu trữ điện, viễn thông, công nghệ robot và chuyển đổi điện năng Hơn 50% thiết bị điện trên thế giới được điều khiển bởi những linh kiện này, giúp cải thiện hiệu quả làm việc và tiết kiệm nguồn nhiên liệu khan hiếm như than và dầu mỏ Việc sử dụng linh kiện công suất lớn không chỉ nâng cao hiệu suất mà còn giảm thiểu tác động xấu đến môi trường Các ứng dụng này yêu cầu linh kiện chịu được điện áp cao và hoạt động ổn định trong điều kiện khắc nghiệt.
Yêu cầu về linh kiện bán dẫn công suất đang ngày càng gia tăng, đặc biệt với sự phát triển của các vật liệu bán dẫn có độ rộng vùng cấm lớn như Silicon Carbide (SiC) và Gallium Nitride (GaN) Những vật liệu này mang lại hiệu quả vượt trội cho các thiết bị hoạt động ở điện áp cao, cho phép chịu được điện trường đánh thủng lớn hơn So với các vật liệu bán dẫn truyền thống có khả năng chịu điện áp thấp hơn, SiC và GaN có khả năng tải lớn hơn và độ bền cao hơn khi giữ cùng cấu trúc và kích thước.
Bán dẫn có độ rộng vùng cấm lớn cho phép linh kiện hoạt động ở nhiệt độ cao, trong khi silicon, mặc dù là loại bán dẫn truyền thống với nhiều ứng dụng, chỉ có năng lượng vùng cấm khoảng 1.1 eV, khiến các linh kiện dễ bị kích thích bởi nhiệt độ và điện năng, gây khó khăn trong việc kiểm soát thiết bị điện So với silicon, các vật liệu bán dẫn như 4H-SiC và GaN có năng lượng vùng cấm lớn hơn, khoảng 3-4 eV, cho phép thiết bị hoạt động hiệu quả ở nhiệt độ trên 300°C.
Bên cạnh GaN và SiC, Ga2O3 nổi bật như một vật liệu bán dẫn với độ rộng vùng cấm lớn, thu hút sự quan tâm đáng kể trong những năm gần đây Với giá trị năng lượng vùng cấm từ 4.6 đến 4.9 eV, Gallium Oxide vượt trội hơn cả Silicon Carbide và Gallium Nitride Điều này dẫn đến điện trường đánh thủng của Ga2O3 được tính toán đạt ngưỡng 8 MV/Cm, gấp ba lần so với SiC (2.5 MV/Cm) và hơn hai lần so với GaN (3.3 MV/Cm).
Hình 1.1 Biểu đồ số lượng các công trình nghiên cứu có liên quan đến vật liệu Gallium
Oxide trong những năm gần đây [6]
Hơn nữa việc tổng hợp -Ga2O3 đơn tinh thể đã được thực hiện thành công bằng phương pháp edge-defined film-fed growth (EFG) [7]
Hiện tại -Ga2O3, cũng có thể pha tạp có kiểm soát loại n với các chất cho như Si,
Những tính chất cơ bản của Silicon và các vật liệu bán dẫn năng lượng vùng cấm lớn được liệt kê trong bảng 1.1 [9] [10] [11]
Tính chất Silicon 4H-SiC GaN -Ga2O3
Năng lượng vùng cấm (eV)
Hằng số điện môi 11.7 9.7 9.5 10.0 Ái lực điện tử (eV) 4.05 3.7 4.1 4.0
Mật độ trạng thái ở vùng dẫn (Cm -3 )
Mật độ trạng thái ở vùng hóa trị (Cm -3 )
1.04*10 19 4.58*10 18 4.6*10 18 3.72*10 18 Điện trường đánh thủng (MV/Cm)
Bảng 1.1 So sánh các tính chất của vật liệu
Bài báo cáo này sẽ tập trung vào thù hình -Ga2O3, được xác định là cấu trúc ổn định và bền với nhiệt nhất trong năm dạng thù hình hiện có, bao gồm , , , và .
Schottky Barrier Diode
Trước khi khám phá sự tương tác giữa kim loại và chất bán dẫn, cần hiểu khái niệm công thoát (work function - WF) Công thoát của một vật liệu là năng lượng cần thiết để kích thích một electron từ mức thế hóa học, giúp nó thoát ra khỏi vật liệu và đạt đến trạng thái năng lượng bằng không ở vô cùng.
Albert Einstein đã khởi xướng khái niệm công thoát trong nghiên cứu hiệu ứng quang điện ở kim loại, và chính công trình này, không phải thuyết tương đối, đã mang lại cho ông giải Nobel năm 1921.
Khi kim loại và chất bán dẫn kết nối, có thể hình thành hai loại tiếp xúc: tiếp xúc chỉnh lưu và tiếp xúc Ohmic Tiếp xúc chỉnh lưu cho phép dòng điện chỉ đi theo một chiều, trong khi tiếp xúc Ohmic cho phép dòng điện đi theo cả hai hướng Bài báo này sẽ tập trung vào tiếp điểm chỉnh lưu, cụ thể là Diode Schottky.
Hình 1.2 minh họa trạng thái của kim loại và bán dẫn loại n trước khi tiếp xúc Trong hình, M và S đại diện cho công thoát của kim loại và vật liệu bán dẫn Đường nét đứt cho thấy mức năng lượng bằng không ở vô cùng.
Thế hóa học của chất bán dẫn được biểu diễn bằng đường nét đứt với ký hiệu Đối với kim loại, thế hóa học tương ứng với mức năng lượng Fermi, ký hiệu là EF Sự chênh lệch năng lượng giữa đáy vùng dẫn và vô cùng được gọi là ái lực điện tử của vật liệu bán dẫn, được thể hiện bằng dấu .
Khi tiếp xúc giữa kim loại và chất bán dẫn được hình thành, các electron có khả năng giảm năng lượng bằng cách chuyển từ vùng dẫn của chất bán dẫn sang kim loại.
Kết quả của quá trình khuếch tán là sự biến dạng cấu trúc vùng năng lượng được mô tả bằng các hình tiếp theo
Hình 1.4 Việc khuếch tán hạt tải sẽ xảy ra liên tục cho đến khi nào thế hóa học ở chất bán dẫn thẳng hàng với mức Fermi của kim loại [14]
Do sự khác biệt về nồng độ hạt tải giữa bán dẫn loại n và kim loại, quá trình khuếch tán của hạt mang điện qua bề mặt phân cách diễn ra ngược lại với gradient nồng độ, tuân theo định luật Fick đầu tiên.
J = -DC(r) [15] trong đó J là thông lượng, D là hệ số khuếch tán và C(r) nồng độ là một hàm theo vị trí
Ở nhiệt độ nhất định, các electron trong kim loại có thể được kích thích nhiệt đủ để vượt qua rào thế và khuếch tán vào vùng dẫn của chất bán dẫn, trong khi các electron trong vùng dẫn cũng có đủ nhiệt năng để khuếch tán trở lại vào kim loại Tại trạng thái cân bằng, dòng điện từ kim loại sang chất bán dẫn và ngược lại phải bằng nhau; nếu không, sẽ xảy ra sự tích điện ở bề mặt phân cách, dẫn đến biến dạng cấu trúc dải cho đến khi dòng khuếch tán của các electron cân bằng Mặc dù rào cản thế cao hơn khi di chuyển từ kim loại sang chất bán dẫn, nhưng điều này được bù đắp bởi số lượng electron tự do lớn hơn nhiều trong kim loại.
Hình 1.6 Ở trạng thái cân bằng, vùng lân cận tiếp xúc kim loại và bán dẫn được gọi là vùng nghèo (Depletion layer) [14]
Vùng nghèo trong bán dẫn hoạt động như một rào thế hóa học, tạo ra một rào cản cho sự tiếp xúc giữa kim loại và bán dẫn pha tạp loại n Chiều cao của rào thế này có thể được tính toán theo một công thức cụ thể, giúp hiểu rõ hơn về các đặc tính điện của bán dẫn.
Giá trị B này cũng bằng tổng độ dịch chuyển xuống của vùng dẫn trong chất bán dẫn ở xa tiếp xúc kim loại và vật liệu bán dẫn
Khi kim loại được kết nối với cực âm của nguồn điện, cấu trúc vùng năng lượng sẽ xảy ra biến đổi, hiện tượng này được gọi là áp thế nghịch.
Khi kim loại được kết nối với cực âm của nguồn điện và chất bán dẫn nối với cực dương, kim loại sẽ tích điện âm lớn hơn, dẫn đến sự biến dạng gia tăng trong các vùng của chất bán dẫn.
Khi áp thế nghịch vào linh kiện, bề dày vùng nghèo sẽ tăng lên, khiến dòng điện khó có thể đi qua tiếp xúc này Điều này làm gia tăng rào thế hóa học và chiều rộng của vùng nghèo, dẫn đến dòng khuếch tán theo cả hai hướng trở nên không đáng kể do rào thế lớn đối với cả hai hướng khuếch tán.
Dòng trôi sẽ tiếp tục đóng góp, tạo ra một dòng điện nhỏ và ổn định từ kim loại vào chất bán dẫn phân cực dương.
Hình 1.9 Ngược lại nếu kim loại được kết nối với cực dương của nguồn, trường hợp này được gọi là áp thế thuận [14]
Khi áp thế thuận, rào thế thấp xuống, làm cho vùng nghèo nhỏ lại và các điện tử dễ dàng xuyên qua, tạo thành dòng lớn chảy vào kim loại Điều này dẫn đến việc giảm điện tích âm trên kim loại, từ đó giảm biến dạng của các vùng năng lượng trong chất bán dẫn Sự giảm chiều rộng của vùng cạn kiệt và hàng rào thế thấp hơn giúp electron di chuyển từ chất bán dẫn vào kim loại, tạo ra dòng điện lớn Đường đặc tính dòng điện và điện áp của tiếp điểm chỉnh lưu loại này được thể hiện trong hình tiếp theo.
Hình 1.10 Đường đặc tính I-V của một tiếp điểm chỉnh lưu [14]
Chúng ta có thể chế tạo một thiết bị chỉnh lưu bằng chất bán dẫn pha tạp loại p tiếp xúc với kim loại Để hình thành một hệ chỉnh lưu, yêu cầu rằng M phải nhỏ hơn S.
Phương pháp phần tử hữu hạn
Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) ra đời nhằm giải quyết các bài toán phức tạp trong lý thuyết đàn hồi và phân tích kết cấu, đặc biệt trong lĩnh vực xây dựng và kỹ thuật hàng không Phát triển lần đầu bởi Alexander Hrennikoff, phương pháp này đã trở thành một công cụ quan trọng trong việc phân tích và thiết kế các cấu trúc kỹ thuật.
Vào những năm 1940, Hrennikoff và Richard Courant đã có những đóng góp quan trọng trong lĩnh vực chia sẻ miền liên tục thành miền rời rạc Mặc dù phương pháp của họ khác nhau, cả hai đều nhất trí về việc phân chia này Hrennikoff sử dụng lưới tương tự để phân tách các miền liên tục, trong khi Courant áp dụng hình tam giác để tạo ra các miền con.
Phương pháp phần tử hữu hạn chính thức được phát triển vào nửa sau những năm 1950, chủ yếu để phân tích kết cấu khung máy bay và công trình xây dựng Nhiều kết quả đáng chú ý đã được đạt được tại đại học Berkeley trong những năm 1960.
Phương pháp phần tử hữu hạn, được phát triển từ nền tảng toán học vững chắc vào năm 1973 trong "An Analysis of the Finite Element Method", đã trở thành một lĩnh vực quan trọng trong toán ứng dụng Phương pháp này là một mô hình số cho các hệ thống tự nhiên và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật, bao gồm điện từ học và động lực học chất lỏng.
Phương pháp phần tử hữu hạn là một kỹ thuật số hiệu quả để giải quyết các bài toán liên quan đến phương trình vi phân riêng phần, kết hợp với các điều kiện biên cụ thể.
Phương pháp này dựa trên việc rời rạc hóa các miền liên tục phức tạp trong bài toán, chia chúng thành nhiều miền con (phần tử) và liên kết các miền này tại các điểm nút.
Phương pháp phần tử hữu hạn là một kỹ thuật toán học được áp dụng để giải gần đúng các bài toán liên quan đến phương trình vi phân từng phần và phương trình tích phân, chẳng hạn như phương trình truyền nhiệt Giải pháp gần đúng này được hình thành thông qua việc loại bỏ hoàn toàn phương trình vi phân hoặc chuyển đổi chúng thành phương trình vi phân thường tương đương, sau đó sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn để giải quyết.
Phương pháp phần tử hữu hạn không tìm kiếm dạng xấp xỉ của hàm trên toàn miền xác định V, mà chỉ trong các miền con Ve (phần tử) thuộc miền đó Miền V được chia thành một số hữu hạn các phần tử, liên kết tại các điểm định trước trên biên gọi là nút Các hàm xấp xỉ được biểu diễn qua giá trị của hàm hoặc đạo hàm tại các điểm nút, và những giá trị này được gọi là bậc tự do của phần tử, đóng vai trò là ẩn số cần tìm trong bài toán.
Trong giải phương trình vi phân thường, việc tạo ra một phương trình xấp xỉ là thách thức đầu tiên Phương pháp phần tử hữu hạn là lựa chọn tối ưu cho việc giải các phương trình vi phân từng phần trên các miền phức tạp hoặc khi yêu cầu về độ chính xác thay đổi Chẳng hạn, trong mô phỏng thời tiết trên Trái Đất, việc dự báo chính xác thời tiết trên đất liền quan trọng hơn so với vùng biển, và điều này có thể đạt được nhờ phương pháp phần tử hữu hạn.
Phương pháp phần tử hữu hạn là công cụ hiệu quả trong việc phân tích trạng thái ứng suất và biến dạng của các kết cấu cơ khí, chi tiết trong ô tô, máy bay, cũng như trong các bài toán lý thuyết trường như lý thuyết đàn hồi, khí đàn hồi và điện từ trường.
Ngành Công nghệ thông tin và hệ thống CAD đã giúp đơn giản hóa quá trình tính toán và thiết kế các mô hình, kết cấu phức tạp một cách chi tiết và hiệu quả.
Các phần mềm thương mại sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn bao gồm ANSYS, COMSOL Multipgysics, Silvaco TCAD…
Hình 1.11 Phương pháp phần tử hữu hạn được ứng dụng trong chương trình Silvaco
TCAD mô phỏng cấu trúc 3D [16].
Chương trình mô phỏng Silvaco TCAD
Công nghệ Thiết kế Hỗ trợ Máy tính (TCAD) là một lĩnh vực trong tự động hóa thiết kế điện tử, chuyên mô hình hóa quy trình chế tạo bán dẫn và hoạt động của thiết bị bán dẫn Mô hình hóa quy trình chế tạo được gọi là Process TCAD, trong khi mô hình hóa hoạt động của thiết bị được gọi là Device TCAD.
Quá trình TCAD (Technology Computer-Aided Design) liên quan đến việc mô phỏng các bước chế tạo thiết bị bán dẫn, bao gồm bóng bán dẫn, và tập trung vào giai đoạn cuối của quy trình sản xuất Các bước ở giai đoạn back-end-of-line được thực hiện bằng các công cụ như Sentaurus Interconnect.
Các thuật toán số mạnh mẽ mô phỏng quy trình chế tạo như cấy ghép, khuếch tán và kích hoạt dopant, khắc, lắng đọng, oxy hóa và tăng trưởng biểu mô trong vật liệu bán dẫn Các yếu tố đầu vào như thành phần hóa học, nhiệt độ và áp suất trong từng bước chế tạo đóng vai trò quan trọng Kết quả cuối cùng là cấu trúc thiết bị 2D hoặc 3D có thể sử dụng để mô phỏng thiết bị.
TCAD là công cụ mô phỏng giúp phân tích các đặc tính điện của thiết bị bán dẫn, phản ánh sự tương tác với các điều kiện biên như điện, nhiệt và quang học tác động lên cấu trúc thiết bị.
Các phương pháp phần tử hữu hạn đã được cải tiến để giải quyết phương trình Poisson, cũng như các phương trình liên tục liên quan đến điện tử và lỗ trống trong các chất bán dẫn từ 1D đến 3D.
Kết quả từ mô phỏng TCAD đã được sử dụng để tạo ra hình ảnh đơn giản về các thiết bị, cho phép các trình mô phỏng mạch mô hình nhỏ gọn kết nối các thiết bị phần tử gộp lại trong một mạng lớn.
Cơ sở, mục tiêu và ý nghĩa khoa học của đề tài
1.5.1 Cở sở của đề tài
Dựa trên lý thuyết về mối nối chỉnh lưu giữa kim loại và vật liệu bán dẫn, bài viết này kết hợp với chương trình mô phỏng Silvaco TCAD sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn và các báo cáo liên quan đến chế tạo thực nghiệm β-Ga2O3.
Vật liệu bán dẫn với năng lượng vùng cấm lớn sở hữu nhiều tính chất nổi bật như khả năng chịu đựng điện áp cao, hoạt động hiệu quả ở nhiệt độ cao và khó bị đánh thủng, làm cho chúng trở thành lựa chọn lý tưởng trong nhiều ứng dụng công nghệ hiện đại.
Dựa vào các yếu tố đã nêu, chúng ta có thể mô phỏng đặc tính điện của linh kiện, khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố trước khi chế tạo, và dự đoán điện trường đánh thủng trong các thiết kế khác nhau.
1.5.2 Mục tiêu và ý nghĩa khoa học của đề tài
Mục tiêu của nghiên cứu là mô phỏng chính xác cấu trúc và đặc tính điện của linh kiện Gallium Oxide SBD, đồng thời khảo sát các yếu tố ảnh hưởng và điện trường đánh thủng Nghiên cứu này mang lại ý nghĩa khoa học quan trọng, giúp tiết kiệm thời gian, chi phí và công sức trong quá trình chế tạo Qua mô phỏng, chúng ta có thể hình dung được chiều hướng dòng điện trong cấu trúc, xác định vị trí dễ bị thủng nhất, cũng như phân bố hạt tải và biến đổi cấu trúc vùng năng lượng, từ đó thể hiện rõ những ưu điểm lớn của phương pháp tính toán mô phỏng.
MÔ PHỎNG
Thiết bị sử dụng và chương trình mô phỏng
Thiết bị được tôi sử dụng trong nghiên cứu này là máy tính chạy hệ điều hành Window Chương trình mô phỏng Silvaco TCAD dùng là phiên bản năm 2018
Phần mềm vẽ đồ thị Origin Pro 2018
Hình 2.1 Giao diện chương trình mô phỏng Silvaco TCAD.
Chuẩn hóa cấu trúc mô phỏng, các đường đặc tuyến, trùng khớp với các báo cáo thực nghiệm
Khái quát chung các quá trình để mô phỏng một linh kiện với công cụ Atlas trong chương trình mô phỏng Silvaco TCAD [18]
Các thành phần Input Cú pháp những lệnh để tương tác với chương trình máy tính
Xây dựng cấu trúc Mesh
Region Electrode Doping Thiết lập vật liệu sử dụng, các mô hình vật lý được áp dụng và tiếp xúc để thực hiện quá trình khảo sát
Material Models Contact Interface Chọn phương pháp số cần sử dụng để thực hiện giải các phương trình toán học trong mô phỏng
Giải các bài toán về Điện hoặc Quang tùy vào nhu cầu cần khảo sát
Phân tích kết quả Extract
Bảng 2.1 Các thành phần Input của chương trình mô phỏng
Bài báo cáo này trình bày cấu trúc 2D Ga2O3 Schottky Barrier Diode đơn giản, nhằm so sánh hiệu quả với cấu trúc Diode có rãnh.
Quan sát hình bên dưới để có được hình dung rõ hơn
Hình 2.2 Diode có độ dày đế là 400 m và được phủ một lớp “drift” dày 10 m [19]
Hình 2.3 Cấu trúc Diode có rãnh được dùng để so sánh với cấu trúc thông thường [19]
Bước đầu tiên trong quá trình xử lý là chia lưới để áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn cho các phương trình vật lý Diode có kích thước 100 μm x 100 μm, dẫn đến diện tích là 100 μm² Độ rộng của cấu trúc được thiết lập thông qua câu lệnh mesh width2, với đơn vị mặc định trong chương trình Silvaco TCAD là μm.
Việc chia lưới theo chiều x và y là cần thiết, bởi vì ở phía trên cùng của linh kiện có một tiếp xúc chỉnh lưu giữa kim loại Nikel và bán dẫn pha tạp loại n của Gallium Oxide Do đó, mật độ lưới cần có độ mịn cao để mô tả chính xác vùng cạn kiệt điện tử xuất hiện và đảm bảo kết quả chính xác trong tính toán.
Phần trên của cấu trúc Diode được gọi là điện Anode, nơi mà tiếp xúc giữa vật liệu bán dẫn loại n và kim loại diễn ra Lưới vùng này được chia nhỏ tới 1000 lần, tạo ra sự chính xác cao trong cấu trúc.
Vùng tiếp xúc giữa bán dẫn loại n với độ pha tạp 10^16 cm^-3 và phần đế pha tạp 10^18 cm^-3 cần có độ mịn cao Để giải quyết vấn đề này, các câu lệnh sau được sử dụng: y.mesh loc=9 spac=1, y.mesh loc spac=0.05, y.mesh loc spac=1.
Tương tự như điện cực Anode, ở cực Cathode cũng được chia khoảng cách giữa các nút nhỏ: y.mesh locA0 spac=0.1
Để chương trình hoạt động hiệu quả, cần điều chỉnh độ dày của cấu trúc mật độ lưới, tránh lỗi tràn bộ nhớ và đảm bảo độ chính xác của kết quả mô phỏng không bị giảm do mật độ lưới thưa.
Sau phần lưới, chúng ta chuyển sang phần chia vùng các loại vật liệu Trong cấu trúc này, chỉ có vật liệu Gallium Oxide với hai nồng độ pha tạp khác nhau Do đó, phần phân vùng được thực hiện bằng câu lệnh: region num=1 user.material=Ga2O3 x.min=0 x.max=0 y.min=0 y.max=0 và region num=2 user.material=Ga2O3 x.min=0 x.max=0 y.min=y.maxA0.
Trong công cụ Atlas, chữ "user" xuất hiện do chưa có bộ thông số vật liệu hoàn chỉnh cho Gallium Oxide, khiến người mô phỏng phải nhập thủ công các thông số của vật liệu này Điện cực Anode và Cathode của Diode được phủ ở cả hai mặt trên và dưới, với các dòng mô tả hai cực như sau: electr num=1 name=anode top và electr num=2 name=cathode bot.
Trong bài báo, phần thiết lập nồng độ pha tạp được mô tả với nồng độ 10^18 cm^-3 cho phần đế (substrate) và 10^16 cm^-3 cho lớp drift Kiểu pha tạp sử dụng là pha tạp đồng bộ, với các thông số cụ thể là vùng doping 1 có nồng độ 0.45 x 10^16 cm^-3 và vùng doping 2 có nồng độ 10^18 cm^-3, cả hai đều thuộc loại đồng nhất.
Khi hoàn thành xong bước xây dựng cấu trúc, ta được một miền sau đây:
Hình 2.4 Cấu trúc lưới sau khi được thiết lập ở dạng 2D
Hình 2.5 Nồng độ pha tạp của Diode
Sau khi hoàn thiện cấu trúc, bước tiếp theo là mô tả vật liệu và thiết lập các thông số cần thiết cho mối nối chỉnh lưu, đồng thời lựa chọn phương pháp số phù hợp để giải quyết các bài toán liên quan.
Bảng dưới đây trình bày các thông số của vật liệu Ga2O3 được nhập vào chương trình [20]:
Năng lượng vùng cấm Eg [eV] 4.8 Độ linh động điện tử [Cm 2 /Vs] 245.0 Ái lực điện tử 4.0
Mật độ hạt tải ở vùng dẫn (Cm -3 ) 3.72 x 10 18
Mật độ hạt tải ở vùng hóa trị (Cm -3 ) 3.72 x 10 18
Bảng 2.2 trình bày các thông số vật liệu sử dụng trong mô phỏng, trong đó độ linh động điện tử đóng vai trò quan trọng trong kết quả đầu ra Nhiều nghiên cứu đã công bố về độ linh động điện tử của Gallium Oxide, với giá trị dao động từ 200 đến 300 cm²/Vs tùy thuộc vào phương pháp đo Dữ liệu đầu vào cho mô phỏng được tính toán dựa trên công thức xác định độ linh động điện tử của Ga2O3 ở nhiệt độ 300 K.
Việc lựa chọn các mô hình vật lý để mô tả đặc tính của cấu trúc là bước tiếp theo quan trọng Nhóm nghiên cứu đã sử dụng các mô hình fldmob, srh, auger, ust và fermi print để thực hiện các khảo sát trong nghiên cứu này.
Điện trường ảnh hưởng đến hạt tải trong chất bán dẫn được mô tả qua mô hình fldmob Các quá trình tái hợp của electron và lỗ trống được thể hiện bằng các mô hình srh và auger.
Ga2O3 là một hợp chất bán dẫn thuộc nhóm III-V, với các hạt electron phân bố theo quy luật Fermi-Dirac Mô hình Fermi sẽ được áp dụng để phân tích tính chất của hợp chất này Thuật ngữ "UST" (Universal Schottky Tunneling) được sử dụng để chỉ mô hình tính toán tỉ lệ xuyên hầm cục bộ tại các điểm tiếp xúc giữa kim loại và bán dẫn.
Next, we set the work function for the Anode electrode Research indicates that the work function of Nickel metal is 5.5 eV Therefore, the command line will be: contact name=anode workf=5.5 surf.rec.
Phần “surf.rec” là yêu cầu bắt buộc khi sử dụng mô hình Universal Schottky Tunnelling (UST)
Chuẩn hóa kết quả mô phỏng trùng khớp với thực nghiệm
Dưới đây là 2 sơ đồ Current density – Voltage của linh kiện khi hoạt động ở dạng logarith và dạng tuyến tính
Hình 2.6 Sơ đồ thể hiện mối liên hệ mật độ dòng điện – hiệu điện thế [19]
(a) Dạng Logarith, (b) Dạng tuyến tính
Dựa trên dữ liệu thực nghiệm, tôi đã tiến hành chuẩn hóa bằng cách điều chỉnh các thông số như nồng độ pha tạp, độ linh động điện tử và công thoát của kim loại, nhằm đạt được sự khớp nhau giữa kết quả mô phỏng và thực nghiệm.
Khi 2 đường thực nghiệm và lý thuyết đã trùng lúc đó ta nói linh kiện đã được chuẩn hóa hoàn tất
Khảo sát ảnh hưởng của bề dày “drift layer”
Cơ sở lý thuyết của khảo sát này dựa vào sự thay đổi bề rộng của vùng cạn kiệt điện tử tại tiếp xúc chỉnh lưu ứng với các giá trị lớp drift khác nhau Khi độ dày lớp drift thấp, vùng cạn kiệt điện tử sẽ hẹp, ngược lại, khi lớp này dày hơn, vùng cạn kiệt điện tử sẽ mở rộng, dẫn đến sự thay đổi điện trở Điều này tạo ra sự khác biệt trong dòng điện đầu ra ở các giá trị bề dày khác nhau.
Lớp dift ban đầu có độ dày 10 m sẽ được điều chỉnh để nghiên cứu ảnh hưởng của độ dày này đến tính chất điện của linh kiện Các độ dày sẽ được khảo sát lần lượt là 0 m, 5 m, 10 m, 15 m và 20 m, nhằm xác định sự thay đổi của hiệu điện thế ngưỡng khi tăng hoặc giảm độ dày lớp dift.
Chỉ có độ dày lớp drift được thay đổi, tất cả các thông số còn lại đều được giữ nguyên
Khảo sát ảnh hưởng của kim loại sử dụng làm điện cực
Mỗi loại kim loại có giá trị công thoát riêng, do đó việc chọn kim loại phù hợp làm điện cực là rất quan trọng Yếu tố này ảnh hưởng đáng kể đến hoạt động của cấu trúc, đặc biệt là hiệu điện thế ngưỡng.
Trong nghiên cứu ảnh hưởng của kim loại, điện cực kim loại sẽ được thay đổi để mô phỏng sự biến đổi, tập trung vào thông số workfunction Các kim loại được khảo sát bao gồm Titanium, Molybdenum, Aurum, Nickel, Platinum và Palladium, đây là những kim loại thường được sử dụng để tạo mối nối chỉnh lưu.
Trong bài viết này, các thông số khác sẽ được giữ nguyên, chỉ điều chỉnh giá trị công thoát Kết quả thu được cho thấy sự thay đổi tính chất điện của linh kiện khi sử dụng các kim loại khác nhau làm điện cực.
Mô phỏng điện trường đánh thủng của cấu trúc
Vật liệu bán dẫn Ga2O3 nổi bật với điện trường đánh thủng lớn, làm cho nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng điện tử công suất Do đó, việc mô phỏng và khảo sát điện trường đánh thủng của các cấu trúc sử dụng Ga2O3 là rất quan trọng.
Sự ion hóa va chạm là quá trình trong vật liệu, khi một hạt mang điện tích năng lượng mất năng lượng để tạo ra các hạt mang điện tích khác Trong chất bán dẫn, một điện tử hoặc lỗ trống có động năng đủ lớn có thể đánh bật một điện tử liên kết ra khỏi trạng thái hóa trị, từ đó chuyển nó vào vùng dẫn, tạo ra cặp điện tử - lỗ trống.
Dựa vào dữ liệu thực nghiệm, linh kiện có hiệu điện thế đánh thủng là khoảng hơn
600 V ở điện cực Anode Để mô phỏng điện trường đánh thủng, phương pháp Transient times sẽ được sử dụng
Phương pháp này hoạt động bằng cách áp dụng một điện thế nghịch tăng dần cho đến khi cấu trúc mô phỏng bị đánh thủng Sau khi thu thập kết quả ban đầu, các thông số bn1 và bn2 sẽ được điều chỉnh, vì đây là những thông số quyết định giá trị điện thế đánh thủng của linh kiện, tương tự như trong mô phỏng đặc tuyến J-.
V, khi giá trị mô phỏng và thực nghiệm bằng nhau thì quá trình mô phỏng hoàn thành
Hệ số ion hóa của β-Ga2O3 Giá trị bn1 3.41 x 10 7 *0.2652 bn2 3.41 x 10 7 *0.2652
Bảng 2.3 Giá trị bn1 và bn2 trong mô phỏng điện trường đánh thủng.
KẾT QUẢ
Kết quả chuẩn hóa cấu trúc mô phỏng với kết quả thực nghiệm
Beta Gallium Oxide Schottky Barrier Diode, với cấu trúc đơn giản 2D, hai mặt là hai điện cực được mô phỏng bằng công cụ Silvaco Atlas
Quá trình chuẩn hóa cấu trúc bắt đầu bằng việc xác định bộ thông số vật liệu từ các công bố thực nghiệm, sau đó điều chỉnh cấu trúc để đảm bảo rằng kết quả đặc tuyến và kết quả mô phỏng đạt được sự tương đồng cao nhất Các giá trị quan trọng như độ rộng vùng cấm, ái lực điện tử và hằng số điện môi được tích hợp vào chương trình để cải thiện độ chính xác của mô hình.
Các hình sơ đồ và hình vẽ được vẽ lại bằng phần mềm Origin Pro 2018 và công cụ TonyPlot trong chương trình Silvaco
Hình 3.1 Tiếp xúc chỉnh lưu của cấu trúc mô phỏng ở trạng thái cân bằng
Hình 3.2 Cấu trúc vùng năng lượng của linh kiện ở trạng thái cân bằng
Hình ảnh trên minh họa rõ ràng sự phân bố điện trường và cấu trúc vùng năng lượng trong trạng thái ban đầu khi chưa có hiệu điện thế Cấu trúc vùng năng lượng này được mô phỏng và biến đổi theo lý thuyết tiếp xúc giữa kim loại và bán dẫn.
Hình 3.3 Cấu trúc vùng năng lượng ở hiệu điện thế 2.7 V
Khi được áp thế thuận, rào thế thấp xuống, vùng nghèo nhỏ lại cho phép dòng electron chạy qua, cấu trúc hoạt động
Kết quả sau khi chuẩn hóa thấy rõ được sự trùng khớp giữa thực nghiệm và mô phỏng ở cả 2 dạng đồ thị (xem hình bên dưới)
Hình 3.4 Sơ đồ đường đặc tuyến J-V (dạng tuyến tính) khi cấu trúc đã chuẩn hóa
Hình 3.5 Sơ đồ đường đặc tuyến J-V (dạng logarith) khi cấu trúc đã được chuẩn hóa
Khi hiệu điện thế vượt qua ngưỡng của linh kiện, cấu trúc bắt đầu hoạt động Dòng điện ở các giá trị thế cao giữa mô phỏng và thực nghiệm tương đồng, cho thấy mô hình mô phỏng chính xác đặc tính điện từ của dữ liệu thực nghiệm.
Khảo sát ảnh hưởng của bề dày “drift layer”
Lớp drift của cấu trúc ảnh hưởng mạnh mẽ đến đặc tính dòng điện đầu ra Khi điều chỉnh độ dày của lớp này, độ rộng của vùng nghèo sẽ thay đổi Cụ thể, khi bề dày lớp drift nhỏ, vùng nghèo cũng nhỏ, dẫn đến dòng điện đầu ra cao Ngược lại, khi tăng độ dày lớp drift, bề rộng vùng nghèo tăng lên, làm giảm dòng điện đầu ra.
Sơ đồ sau đây thể hiện rõ đặc tính trên:
Hình 3.6 Đường đặc tuyến J-V ở các bề dày lớp drift khác nhau.
Khảo sát sự ảnh hưởng của kim loại sử dụng làm điện cực
Các kim loại có công thoát thấp như Ti và Mo tạo ra rào thế thấp ở mối nối chỉnh lưu, cho phép điện tử vượt qua dễ dàng ở điều kiện kích thích thấp Ngược lại, khi sử dụng các kim loại có công thoát cao như Ni, Pd và Pt, việc kiểm soát dòng điện trở nên dễ dàng hơn, nhưng hạt tải lại khó vượt qua rào thế, dẫn đến việc hạn chế dòng điện.
Hình 3.7 Sơ đồ J-V của Gallium Oxide Barrier Diode với các kim loại làm điện cực khác nhau.
Mô phỏng điện trường đánh thủng của cấu trúc -Ga 2 O 3 Schottky Barrier Diode
Dữ liệu thực nghiệm cho thấy linh kiện có khả năng chịu đựng hiệu điện thế nghịch lên đến 700 V trước khi bị đánh thủng, một giá trị đáng kể khi so sánh với các cấu trúc SBD tương tự sử dụng vật liệu bán dẫn có độ rộng vùng cấm nhỏ hơn.
Hình 3.8 Kết quả thực nghiệm cho ta thấy cấu trúc SBD thông thường bị đánh thủng ở hiệu điện thế hơn 700 V [19]
Hình dưới đây mô phỏng lại điện trường đánh thủng của linh kiện trước và sau khi bị đánh thủng của linh kiện:
Hình 3.9 Điện trường của cấu trúc trước khi bị đánh thủng
Hình 3.10 Điện trường ở tiếp xúc chỉnh lưu khi bị đánh thủng
Khi ở trạng thái cân bằng, điện trường tại tiếp xúc chỉnh lưu có giá trị nhỏ và ổn định Tuy nhiên, khi áp thế nghịch đến mức bị đánh thủng, điện trường tại lớp drift sẽ tăng lên, đặc biệt tại tiếp xúc giữa kim loại và bán dẫn.
Trên là những khảo sát về mặt cấu trúc, tiếp theo đây là kết quả về tính chất điện của cấu trúc khi mô phỏng điện trường đánh thủng:
Hình 3.11 Đồ thị biểu diễn đặc tuyến I-V khi cấu trúc bị đánh thủng (dạng tuyến tính)
Giá trị mô phỏng lại được là 732 V, kết quả này trùng với kết quả thực nghiệm báo cáo
Hình 3.12 Đồ thị khảo sát giá trị điện thế đánh thủng ở các bề dày lớp drift khác nhau
Dựa trên kết quả khảo sát lớp drift và lý thuyết về quá trình ion hóa, có thể kết luận rằng việc tăng bề dày lớp drift sẽ làm tăng giá trị điện trường đánh thủng Khi bề dày lớp drift tăng lên, điện trở cũng tăng theo, dẫn đến điện trường đánh thủng đạt được giá trị cao hơn.
