Bước đầu khảo sát một số tính chất của linh kiện bán dãn hiệu ứng trường ga203 dùng phần mềm mô phỏng silvaco tcad

Bước đầu khảo sát một số tính chất của linh kiện bán dãn hiệu ứng trường ga203 dùng phần mềm mô phỏng silvaco tcad Bước đầu khảo sát một số tính chất của linh kiện bán dãn hiệu ứng trường ga203 dùng phần mềm mô phỏng silvaco tcad Bước đầu khảo sát một số tính chất của linh kiện bán dãn hiệu ứng trường ga203 dùng phần mềm mô phỏng silvaco tcad Bước đầu khảo sát một số tính chất của linh kiện bán dãn hiệu ứng trường ga203 dùng phần mềm mô phỏng silvaco tcad

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU BƯỚC ĐẦU KHẢO SÁT MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA LINH KIỆN BÁN DẪN HIỆU ỨNG TRƯỜNG GA2O3 DÙNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG SILVACO TCAD GVHD: TS ĐỖ HUY BÌNH SVTH: NGUYỄN KHÁNH SKL009188 Tp.Hồ Chí Minh, tháng 8/2022 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG BỘ MƠN CƠNG NGHỆ VẬT LIỆU KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: BƯỚC ĐẦU KHẢO SÁT MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA LINH KIỆN BÁN DẪN HIỆU ỨNG TRƯỜNG Ga2O3 DÙNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG SILVACO TCAD GVHD: TS ĐỖ HUY BÌNH SVTH: NGUYỄN KHÁNH MSSV: 18130023 KHĨA: 2018 TP Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2022 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG BỘ MƠN CƠNG NGHỆ VẬT LIỆU KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: BƯỚC ĐẦU KHẢO SÁT MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA LINH KIỆN BÁN DẪN HIỆU ỨNG TRƯỜNG Ga2O3 DÙNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG SILVACO TCAD GVHD: TS ĐỖ HUY BÌNH SVTH: NGUYỄN KHÁNH MSSV: 18130023 KHĨA: 2018 TP Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2022 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG BM CƠNG NGHỆ VẬT LIỆU CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự – Hạnh phúc Tp Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 08 năm 2022 NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Giảng viên hướng dẫn: TS Đỗ Huy Bình Cơ quan công tác giảng viên hướng dẫn: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM Sinh viên thực hiện: Nguyễn Khánh MSSV: 18130023 Tên đề tài: Bước đầu khảo sát số tính chất linh kiện bán dẫn hiệu ứng trường Ga2O3 dùng phần mềm mô Silvaco TCAD Nội dung khóa luận: - Sử dụng chương trình TCAD mơ cấu trúc linh kiện - Chuẩn hóa cấu trúc mơ phỏng, đường đặc tuyến, trùng khớp với báo cáo thực nghiệm - Khảo sát ảnh hưởng yếu tố (công thốt, độ dày lớp drift) lên đặc tính điện Diode - Mô điện trường đánh thủng linh kiện Gallium Oxide Schottky Barrier Diode Các sản phẩm dự kiến - Một báo cáo phân tích - Một chương trình máy tính Ngày giao đồ án: 25/02/2022 Ngày nộp đồ án: 25/08/2022 Ngôn ngữ trình bày: Bản báo cáo: Tiếng Anh  Tiếng Việt  Trình bày bảo vệ: Tiếng Anh  Tiếng Việt  TRƯỞNG BỘ MÔN GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN TS Đỗ Huy Bình KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨAVIỆT NAM BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Độc lập – Tự – Hạnh phúc ******* NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Sinh viên thực hiện: Nguyễn Khánh MSSV: 18130023 Ngành: Công nghệ Vật liệu Tên đề tài: BƯỚC ĐẦU KHẢO SÁT MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA LINH KIỆN BÁN DẪN HIỆU ỨNG TRƯỜNG Ga2O3 DÙNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG SILVACO TCAD Họ tên Giảng viên hướng dẫn: TS Đỗ Huy Bình Cơ quan cơng tác GV hướng dẫn: Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM NHẬN XÉT Về nội dung đề tài khối lượng thực Đề tài tập trung vào việc nghiên cứu, mô linh kiện diode bán dẫn công suất Ga2O3 Các công việc thực đề tài: (1) chuẩn hóa thơng số mô phù hợp với thực nghiệm, (2) khảo sát tính chất diode bán dẫn Ga2O3 bề dày lớp drift thay đổi, (3) khảo sát tính chất diode bán dẫn Ga2O3 sử dụng kim loại khác làm điện cực, (4) khảo sát hiệu điện bị đánh thủng diode bán dẫn Ga2O3 Chủ đề nghiên cứu mang tính với khối lượng cơng việc lớn Các kết phân tích thêm để đăng tạp chí quốc tế uy tín Tinh thần học tập, nghiên cứu sinh viên Sinh viên thể tinh thần cầu tiến, yêu thích tìm hiểu, ham học hỏi làm việc nghiêm túc, có kế hoạch Ưu điểm Có kỹ lập kế hoạch, làm việc độc lập thực kế hoạch đề Có kỹ tìm kiếm thơng tin cần thiết cho nghiên cứu Kỹ mô tốt, ham học hỏi cầu thị Nắm rõ kỹ thuật mô linh kiện bán dẫn Khuyết điểm Kỹ phân tích cần trau dồi thêm Đề nghị cho bảo vệ hay không ? Đề ngị cho bảo vệ Điểm: 9.8 (bằng chữ: chín chấm tám) TP Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 08 năm 2022 Giáo viên hướng dẫn (Ký & ghi rõ họ tên) TS Đỗ Huy Bình KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Độc lập – Tự – Hạnh phúc ******* NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Họ tên Sinh viên: MSSV: Ngành: Tên đề tài: Họ tên Giáo viên phản biện: Cơ quan công tác GV phản biện: Địa chỉ: NHẬN XÉT Về nội dung đề tài khối lượng thực hiện: Ưu điểm: Khuyết điểm: Kiến nghị câu hỏi: Đề nghị cho bảo vệ hay không? Điểm: (Bằng chữ: ) Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20 Giáo viên phản biện (Ký & ghi rõ họ tên) LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Tiến sĩ Đỗ Huy Bình tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi vật chất lẫn kiến thức cho tơi hồn thành luận văn Tơi cảm ơn Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh, đặc biệt Thầy Cơ Khoa Khoa Học Ứng Dụng tạo cho môi trường học tập động, sáng tạo, truyền đạt kiến thức bổ ích, kỹ cần thiết suốt năm học vừa qua Bên cạnh đó, tơi xin gửi lời cảm ơn đến tác giả, đồng tác giả viết mà sử dụng Cuối cùng, tơi xin cảm ơn gia đình giúp đỡ, tạo điều kiện tốt từ vật chất đến tinh thần cho học tập nghiên cứu suốt thời gian qua Cảm ơn tất bạn bè, đặc biệt bạn Văng Hoài Ân, Nguyễn Khắc Bình, Quách Dương Tuấn Hải Trần Anh Phú Quí quan tâm, động viên giúp đỡ lúc khó khăn Tơi xin trân trọng cảm ơn! Nguyễn Khánh Hình 3.2 Cấu trúc vùng lượng linh kiện trạng thái cân Hai hình ảnh cho ta hình dung rõ phân bố điện trường, cấu trúc vùng lượng chưa có hiệu điện áp vào (ở trạng thái cân bằng) Cấu trúc vùng lượng mô biến đổi tuân theo lý thuyết tiếp xúc chỉnh lưu kim loại bán dẫn Hình 3.3 Cấu trúc vùng lượng hiệu điện 2.7 V 39 Khi áp thuận, rào thấp xuống, vùng nghèo nhỏ lại cho phép dòng electron chạy qua, cấu trúc hoạt động Kết sau chuẩn hóa thấy rõ trùng khớp thực nghiệm mơ dạng đồ thị (xem hình bên dưới) Thực nghiệm Mô Current density (A/Cm2) 200 150 100 50 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 Voltage (V) Hình 3.4 Sơ đồ đường đặc tuyến J-V (dạng tuyến tính) cấu trúc chuẩn hóa 40 100 10 Current density (A/Cm2) Thực nghiệm Mô 0.1 0.01 1E-3 1E-4 1E-5 1E-6 1E-7 1E-8 1E-9 1E-10 1E-11 Voltage (V) Hình 3.5 Sơ đồ đường đặc tuyến J-V (dạng logarith) cấu trúc chuẩn hóa Khi hiệu điện áp vào vượt qua hiệu điện ngưỡng (Vth) linh kiện, cấu trúc bắt đầu hoạt động, chiều hướng dòng điện giá trị cao mô thực nghiệm trùng nhau, cấu trúc mơ mơ tả xác đặc tính điện từ liệu thực nghiệm 3.2 Khảo sát ảnh hưởng bề dày “drift layer” Lớp drift cấu trúc ảnh hưởng lớn đến đặc tính dịng điện đâu ra, tăng giảm lớp này, độ rộng vùng nghèo thay đổi Khi bề dày lớp nhỏ, vùng nghèo nhỏ dịng cho có giá trị lớn Ngược lại, tăng lớp drift bề rộng vùng nghèo tăng theo dòng cho giảm 41 Sơ đồ sau thể rõ đặc tính trên: 1000 microns microns 10 microns 15 microns 20 microns Current density (A/Cm2) 800 600 400 200 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 Voltage (V) Hình 3.6 Đường đặc tuyến J-V bề dày lớp drift khác Sự thay đổi đường đặc tính dịng điện giải thích lý thuyết vùng nghèo độ dày khác lớp drift, lớp drift vùng nghèo có độ rộng nhỏ, điện tử dễ dàng bị kích thích áp điện, dẫn đến dịng cho có giá trị lớn Khi xuất lớp drift để điều biến dòng, giá trị mật độ dịng điện có thay đổi tỉ lệ nghịch độ dày, tốn nhiều lượng để kích thích điện tử qua vùng nghèo 42 Độ cao rào bề rộng vùng nghèo vẽ lại sơ đồ bên dưới: Hình 3.7 Độ rộng vùng nghèo giá trị drift layer khác 3.3 Khảo sát ảnh hưởng kim loại sử dụng làm điện cực Với kim loại có cơng thấp Ti, Mo, rào tạo mối nối chỉnh lưu có độ cao thấp, điện tử vượt qua điều kiện kích thích thấp, ngược lại tăng cơng kim loại Ni, Pd, Pt, việc kiểm soát dịng điện dễ dàng hơn, hạt tải khó để vượt qua rào tạo dịng điện Từ đưa kết luận, có kim loại có cơng lớn làm điện cực cho vật liệu bán dẫn Ga2O3 43 Hình 3.8 Sơ đồ J-V Gallium Oxide Barrier Diode với kim loại làm điện cực khác Hình 3.9 Độ cao rào ứng với kim loại làm điện cực khác 44 3.4 Mô điện trường đánh thủng cấu trúc -Ga2O3 Schottky Barrier Diode Từ liệu thực nghiệm, ta thấy linh kiện chịu hiệu điện nghịch đến 732 V, sau bị đánh thủng Giá trị tương đối lớn so sánh với cấu trúc SBD tương tự sử dụng vật liệu bán dẫn có độ rộng vùng cấm nhỏ Hình 3.10 Kết thực nghiệm cho ta thấy cấu trúc SBD thông thường bị đánh thủng hiệu điện 732 V (đường nét chấm) [20] 45 Hình mơ lại điện trường đánh thủng linh kiện trước sau bị đánh thủng linh kiện: Hình 3.11 Điện trường cấu trúc trước bị đánh thủng Hình 3.12 Điện trường tiếp xúc chỉnh lưu bị đánh thủng 46 Khi trạng thái cân chưa bị đánh thủng, điện trường tiếp xúc chỉnh lưu có giá trị nhỏ phân bố ổn định Sau áp nghịch đến lúc bị đánh thủng, điện trường lớp drift tăng lên, đặc biệt tiếp xúc kim loại - bán dẫn Trên khảo sát mặt cấu trúc, kết tính chất điện cấu trúc mơ điện trường đánh thủng: Hình 3.13 Đồ thị biểu diễn đặc tuyến I-V cấu trúc bị đánh thủng Giá trị mô lại 713 V, kết gần với kết thực nghiệm báo cáo Do thời gian thực luận văn có hạn việc mô điện trường đánh thủng tốn nhiều thời gian nên giá trị mô chưa chuẩn xác so với thực nghiệm Trong thời gian việc mô điện trường đánh thủng tiếp tục, để đạt kết xác Từ kết khảo sát lớp drif lý thuyết q trình ion hóa, ta rút lết luận: tăng giá trị điện trường đánh thủng cách tăng bề dày lớp drift này, điện trở tăng, điện trường đánh thủng đạt giá trị cao 47 KẾT LUẬN Đề tài “Bước đầu khảo sát số tính chất linh kiện bán dẫn hiệu ứng trường Ga2O3 dùng phần mềm mô Silvaco TCAD” sau thực có kết sau: Mô cấu trúc -Gallium Oxide Schottky Barrier Đioe đơn giản chương trình Silvaco TCAD Chuẩn hóa cấu trúc linh kiện, đường đặc tuyến trùng khớp với liệu thực nghiệm Khảo sát yếu tố: lớp drift, cơng kim loại, ảnh hưởng đến đặc tính điện cấu trúc Từ kết đạt ta rút kết luận: xu hướng dòng điện Diode phụ thuộc vào bề dày lớp drift, độ dày lớn dịng cho có giá trị thấp, vùng thiếu hụt điện tử tiếp xúc rộng, cần nhiều lượng để đưa electron vượt qua rào này, hiệu điện ngưỡng có giá trị lớn Ngược lại yêu cầu thiết bị cần dòng cho lớn giảm độ dày lớp drift xuống, điện trở giảm theo giảm hiệu điện ngưỡng cho cấu trúc Ngoài việc sử dụng kim loại làm điện cực cần ý, với vật liệu bán dẫn β-Ga2O3 có lượng vùng cấm lớn, nên cần chọn kim loại có giá trị cơng lớn để tạo mối nối chỉnh lưu hoạt động hiệu Mô lại điện trường đánh thủng linh kiện, với giá trị gần so với kết thực nghiệm có Giá trị mơ có giá trị 713 V, so với thực nghiệm cịn chênh lệch, cần cải thiện nghiên cứu Kết cho ta thấy, điện trường tăng tập trung tiếp xúc chỉnh lưu áp nghịch, nơi linh kiện dễ bị đánh thủng cấu trúc Tùy thuộc vào nhu cầu chế tạo linh kiện, ta tăng bề dày lớp drift cấu trúc, điện trở linh kiện tăng lên kéo theo giá trị điện trường đánh thủng tăng theo 48 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Các hướng phát triển đề tài nghiên cứu nhằm cải thiện tính xác kết mơ tính tốn sau: Tiếp tục mô điện trường đánh thủng cấu trúc, khảo sát giá trị bn1 bn2 để đạt kết với thực nghiệm Từ kết có được, tiến hành chạy mơ với độ dày lớp drift khác nhau, tạo điều kiện thuận lợi cho việc chế tạo thực nghiệm sau Ngồi tiến hành mơ cấu trúc Schottky Barrier Diode có rãnh 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] B J Baliga, “Advanced high voltage power device concepts” (2012), New York: Springer-Verlag [2] S J Pearton, C R Abernathy, and F Ren, “Gallium Nitride Processing for Electronics, Sensors and Spintronics”, Springer-Verlag, London, 2006 [3] Li, Yan, Trillion Q Zheng, Yajing Zhang, Meiting Cui, Yang Han, and Wei Dou “Loss Analysis and Soft-Switching Behavior of Flyback-Forward High Gain DC/DC Converters with a GaN FET”, Journal of Power Electronics, Vol 16, No 1, January 2016 [4] Nakai Katsuhiko, Tetsuya Nagai, Kengo Noami, and Toshiro Futagi (2015), “Characterization of defects in β-Ga2O3 single crystals”, Japanese Journal of Applied Physics 54, 051103 [5] M H Wong, K Sasaki, A Kuramata, S Tamakoshi, and M Higashiwaki (2016), “Field-plated Ga2O3 MOSFETs with a breakdown voltage of over 750 V”, IEEE Electron Device” Lett., vol 37, no 2, pp 212–215, Feb [6] Higashiwaki (2022) “β-Ga2O3 material properties, growth technologies, and devices: a review” [7] K Sasaki, M Higashiwaki, A Kuramata, T Masui, and S Yamakoshi (2013), “MBE grown Ga2O3 and its power device applications”, J Cryst Growth 378, 591 [8] S Pearton, F Ren, M Tadjer and J Kim (2018), “Perspective: Ga2O3 for ultra-high power rectifiers and MOSFETS”, Journal of Applied Physics 124, 220901 [9] B J Baliga (2008), “Fundamentals of Power Semiconductor Devices” New York: Springer Verlag [10] B J Baliga (2017), “Gallium Nitride and Silicon Carbide Power Devices” World Scientific 50 [11] M Higashiwaki, K Sasaki, A Kuramata, T Masui and S Yamakoshi, “Gallium oxide (Ga2O3) metal-semiconductor field-effect transistors on single-crystal β-Ga2O3 (010) substrates” (2012), Appl Phys Lett 100, 013504 [12] S J Pearton, Jiancheng Yang, Patrick H Cary, F Ren, Jihyun Kim, Marko J Tadjer, and Michael A Mastro (2018), “A review of Ga2O3 materials, processing, and devices” [13] Simon M Sze, Kwok K Ng (1981), “Physics of Semiconductor Devices, 3rd Edition” [14] https://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/semiconductors/index.php [15] H He, R Orlando, M A Blanco, R Pandey, E Amzallag, I Baraille, and M R ́erat (2006), “First-principles study of the structural, electronic, and optical properties of Ga2O3 in its monoclinic and hexagonal phases”, Phys Rev B 74, 195123 [16] https://advancecad.edu.vn/phuong-phap-phan-tu-huu-han-fem/ [17] https://www.synopsys.com/silicon/tcad.html [18] ATLAS User’s Manual DEVICE SIMULATION SOFTWARE [19] Nan Ma, Nicholas Tanen, Amit Verma, Zhi Guo, Tengfei Luo, Huili (Grace) Xing, and Debdeep Jena (2016) “Intrinsic electron mobility limits in β-Ga2O3”, Appl Phys Lett 109, 212101 [20] Wenshen Li, Zongyang Hu, Kazuki Nomoto, Zexuan Zhang, Jui-Yuan Hsu, Quang Tu Thieu, Kohei Sasaki, Akito Kuramata, Debdeep Jena, and Huili Grace Xing (2018), “1230V β-Ga2O3 trench Schottky barrier diodes with an ultra-low leakage current of