Trong các loại diode thì Schottky diode là loại có nhiều tính năng vượt trội như điện thế thuận thấp, thời gian phục hồi nhanh,… Trước đây, các linh kiện bán dẫn truyền thống thường được
TỔNG QUAN CHẤT BÁN DẪN VÀ DIODE
Chất bán dẫn
1.1.1 Chất bán dẫn là gì?
Chất bán dẫn là nguyên liệu để sản xuất ra các linh kiện bán dẫn nhƣ Diode, Transitor, IC mà ta đã thấy trong các thiết bị điện tử ngày nay
Chất bán dẫn là những chất có đặc điểm trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện, xét về phương diện hóa học thì bán dẫn là những chất có 4 điện tử ở lớp ngoài cùng của nguyên tử Đó là các chất nhƣ Germanium (Ge), Silicium (Si)
Từ các chất bán dẫn ban đầu (tinh khiết) người ta tạo ra hai loại bán dẫn là bán dẫn loại N và bán dẫn loại P, sau đó tiến hành ghép các miếng bán dẫn loại N và P lại sẽ tạo thành Diode hay Transitor
Si và Ge đều có hóa trị 4, tức là lớp ngoài cùng có 4 điện tử, ở dạng tinh khiết các nguyên tử Si (Ge) liên kết với nhau bằng liên kết cộng hóa trị nhƣ trong hình 1.1
Hình 1.1: Chất bán dẫn tinh khiết
Khi ta pha vào chất bán dẫn tinh khiết Si một lƣợng nhỏ chất có hóa trị 5 nhƣ Phospho (P) thì một nguyên tử P sẽ liên kết với 4 nguyên tử Si theo liên kết cộng hóa trị,
Nguyễn Quốc Tuấn Trang 5 nguyên tử Phospho chỉ có 4 điện tử tham gia liên kết và còn dƣ một điện tử, điện tử dƣ này trở thành điện tử tự do (hình 1.2) Chất bán dẫn lúc này trở thành thừa điện tử (mang điện âm) và đƣợc gọi là bán dẫn N (Negative: âm)
Hình 1.2: Chất bán dẫn loại N
Ngƣợc lại, khi ta thêm một lƣợng nhỏ chất có hóa trị 3 nhu Indium (In) vào chất bán dẫn Si thì một nguyên tử Indium sẽ liên kết với 4 nguyên tử Si theo liên kết cộng hóa trị và liên kết bị thiếu một điện tử (hình 1.3) Do đó hình thành một lỗ trống (mang điện dương) và được gọi là bán dẫn P
Hình 1.3: Chất bán dẫn loại P
Diode bán dẫn
1.2.1 Tiếp giáp P-N và cấu tạo của diode bán dẫn
Khi đã có đƣợc hai chất bán dẫn là P và N, nếu ghép hai chất bán dẫn theo một tiếp giáp P-N ta đƣợc một diode (hình 1.4) Tiếp giáp P-N có đặc điểm: Tại bề mặt tiếp xúc, các điện tử dƣ thừa trong bán dẫn N khuếch tán sang vùng P để lấp vào các lỗ trống Từ đó hình thành một lớp ion trung hòa về điện, lớp ion này tạo thành vùng cách điện giữa hai chất bán dẫn
Hình 1.4: Cấu tạo của diode Ở trên hình là mối tiếp xúc P-N và cũng chính là cấu tạo của diode bán dẫn
1.2.2 Phân cực thuận cho diode
Nếu ta cấp điện áp dương (+) vào anode (vùng bán dẫn P) và điện áp âm vào cathode (vùng bán dẫn N), khi đó dưới tác dụng tương tác của điện áp, miền cách điện thu hẹp lại, khi điện áp chênh lệch giữa hai điện cực đạt 0,6V (đối với vật liệu Si) hoặc 0,2 (đối với vật liệu Ge) thì diện tích miền cách điện giảm xuống bằng không Khi đó diode bắt đầu dẫn điện Nếu tiếp túc tăng điện áp nguồn thì dòng qua diode tăng nhanh nhƣng chênh lệch điện áp giữa hai cực của diode không tăng (hình 1.5)
Hình 1.5: Diode (Si) phân cực thuận
Kết luận: khi diode (Si) đƣợc phân cực thuận, nếu điện áp phân cực thuận < 0,6V thì chƣa có dòng đi qua diode Nếu áp phân cực thuận đạt giá trị 0,6V thì có dòng đi qua diode, nếu tiếp tục tăng điện áp nguồn thì dòng điện đi qua diode tăng nhanh nhƣng sụt áp vẫn giữ nguyên ở giá trị 0,6V
1.2.3 Phân cực ngƣợc cho diode
Khi phân cực ngƣợc cho diode tức là cấp nguồn (+) vào cathode (bán dẫn N), nguồn (-) vào anode (bán dẫn P), dưới sự tương tác của điện áp ngược, miền cách điện càng rộng ra và ngăn cản dòng đi qua mối tiếp giáp, diode có thể chịu đƣợc điện áp ngƣợc rất lớn có khi lên tới 1000V thì diode mới bị đánh thủng (hình 1.6)
Hình 1.6: Phân cực ngược cho diode
1.2.4 Đặc tuyến Volt-Ampe của diode [7]
Hình 1.7 là đặc tuyến Volt – Ampe biểu thị mối quan hệ giữa dòng điện qua diode theo điện thế V đặt vào nó (đặc tuyến I-V) Khảo sát đặc tuyến này thành 2 trường hợp:
Khi áp điện thế V > 0: diode phân cực thuận
Khi áp điện thế V < 0: diode phân cực nghịch
Nguyễn Quốc Tuấn Trang 8 Với điện áp thuận V F , dòng điện thuận tương ứng là:
Trong biểu thức này, các ký hiệu: k là hằng số boltzmant : k = 1,382x 10 23 (J/K) n p và p n là mật độ electron và lỗ trống trong vùng p và n A là diện tích mặt cắt ngang lớp p – n
L p , L n là độ dài khuếch tán của electron và lỗ trống
D p , D n là hệ số khuếch tán của electron và lỗ trống q = 1,6 x 10 -19 ( C )
Hình 1.7: Đặc tuyến dòng và thế (I-V) của diode trong 3 vùng : phân cực thuận, phân cực nghịch và đánh thủng
1.2.5 Ứng dụng của diode bán dẫn
Do các tính chất đặc biệt nên diode thường được sử dụng trong các mạch khác nhau:
Chỉnh lưu nguồn xoay chiều thành một chiều
Các mạch nạp điện cho pin hay accu
Các mạch bảo vệ (chống quá dòng, quá áp, )
Các mạch ổn áp, ổn dòng,
Ngoài ra, một số loại diode có những ứng dụng quan trọng nhƣ: thiết bị chiếu sáng tiết kiệm năng lƣợng (LED), thiết bị chuyển hóa năng lƣợng Mặt Trời thành năng lƣợng điện (Solar cell),…
1.2.6 Một số loại diode thông dụng
Là diode thông dụng nhất, dùng để đổi điện thế xoay chiều sang điện thế một chiều Diode này tùy loại có thể chịu đựng đƣợc dòng từ vài trăm mA đến loại công suất cao có thể chịu được đến vài trăm ampere Diode chỉnh lưu chủ yếu là loại Si Hai đặc tính kỹ thuật cơ bản của diode chỉnh lưu là dòng thuận tối đa và điện áp ngược tối đa (Điện áp đánh thủng) Hai đặc tính này do nhà sản xuất cho biết
Hình 1.8: Sơ đồ cấu tạo và ký hiệu diode chỉnh lưu
Diode Zener có cấu tạo tương tự diode thường nhưng có hai lớp bán dẫn P-N ghép với nhau, diode Zener đƣợc ứng dụng trong chế độ phân cực ngƣợc Khi phân cực thuận diode Zener như diode thường nhưng khi phân cực ngược thì diode Zener sẽ gim lại một mức điện áp cố định bằng giá trị ghi trên diode (hình 1.9)
Hình 1.9: Đường đặc tuyến hoạt động và ký hiệu diode Zener
Xét về cấu tạo, diode Schottky khác với diode thường (diode chỉnh lưu) ở chỗ: diode thường cấu tạo gồm bán dẫn loại P tiếp xúc với bán dẫn loại N, diode Schottky cấu tạo gồm vật liệu kim loại tiếp xúc với vật liệu bán dẫn (loại P hoặc loại N) Việc sử dụng kim loại thay thế cho bán dẫn giúp cho rào điện thế trong diode Schottky giảm nên điện thế ngƣỡng của diode Schottky nhỏ (0,2 đến 0,3V, hình 1.10) Đồng thời, vùng hiếm hẹp giúp cho các hạt tải điện di chuyển nhanh, tạo điều kiện cho sự tái hợp giữa lỗ trống và điện tử dễ dàng và nhanh chóng hơn dẫn đến việc rút ngắn thời gian hồi phục (thời gian chuyển mạch) Đây chính là những tính chất quan trọng của diode Schottky
Do thời gian hồi phục nhỏ (đổi trạng thái nhanh) nên diode Schottky đƣợc dùng rất phổ biến trong kỹ thuật số và điều khiển
Hình 1.10: Cấu tạo, ký hiệu và tính chất của diode Schottky
1.2.6.4 Diode phát quang (Light Emiting Diode: LED)
Diode phát quang là diode phát ra ánh sáng khi đƣợc phân cực thuận, điện áp làm việc của LED khoảng 1,7 – 2,2V, dòng qua LED khoảng từ 5mA đến 20mA LED chủ yếu là chuyển tiếp P-N đƣợc làm từ các vật liệu bán dẫn hỗn hợp (ví dụ: GaAs) có khe năng lƣợng (bandgap) lớn, trong đó sự tái hợp điện tử - lỗ trống làm phát xạ photon phát ra ánh sáng
LED đƣợc sử dụng để làm bộ phận hiển thị trong các thiết bị điện điện tử, đèn quảng cáo, trang trí, đèn giao thông…LED còn ứng dụng trong lĩnh vực chiếu sáng vì những ƣu điểm của nó hoàn toàn có thể thay thế những nguồn sáng thông thường khác
Hình 1.11: Diode phát quang LED
1.2.6.5 Diode thu quang (Photo diode)
Nguyễn Quốc Tuấn Trang 12 Diode thu quang hoạt động ở chế độ phân cực nghịch, vỏ diode có một miếng thủy tinh để ánh sáng chiếu vào mối P-N Dòng điện ngược qua diode tỷ lệ thuận với cường độ ánh sáng chiếu vào diode Sơ đồ nguyên lý của diode thu quang đƣợc thể hiện trong hình
Một ứng dụng quan trọng của diode thu quang là pin năng lƣợng mặt trời (Solar cell)
Hình 1.12: Ký hiệu của Photo diode
1.2.6.6 Diode biến dung (Varicap diode)
Diode biến dung là diode có điện dung giống nhƣ tụ điện, và điện dung biến đổi khi ta thay đổi điện áp ngƣợc đặt vào diode Hình 1.13 biểu thị sơ đồ ứng dụng diode biến dung sử dụng trong mạch cộng hưởng
Diode biến dung đƣợc sử dụng trong các bộ kênh Tivi màu, trong các mạch điều chỉnh tần số cộng hưởng bằng điện áp
Hình 1.13: Sơ đồ ứng dụng diode biến dung trong mạch cộng hưởng
Nguyễn Quốc Tuấn Trang 13 Là loại diode nhỏ, vỏ bằng thủy tinh và còn gọi là diode tiếp điểm vì mặt tiếp xúc giữa hai chất bán dẫn P-N tại một điểm để tránh điện dung ký sinh, diode tách sóng thường dùng trong các mạch cao tần dùng để tách sóng tín hiệu
1.2.6.8 Diode hầm (Tunnel diode) Đƣợc chế tạo lần đầu tiên vào năm 1958 bởi Leo-Esaki nên còn đƣợc gọi là diode Esaki Đây là một loại diode đặc biệt đƣợc dùng khác với nhiều loại diode khác Diode hầm có nồng độ pha tạp lớn hơn diode thường rất nhiều (cả vùng P lẫn vùng N)
SCHOTTKY DIODE
Tổng quan về Schottky diode
2.1.1 Lịch sử phát triển của Schottky diode
Năm 1874, diode tiếp xúc điểm có khả năng chỉnh lưu được phát triển đầu tiên bởi Braun Cấu trúc của diode này bao gồm một sợi dây kim loại đƣợc hàn trên bề mặt chất bán dẫn (hình 2.1) Ứng dụng của loại diode tiếp xúc điểm này là các loại detector radio vi sóng và bộ biến tần [8]
Hình 2.1: Diode Schottky tiếp xúc điểm
Các diode tiếp xúc điểm này có độ tin cậy không cao do không thể kiểm soát chính xác đƣợc tiếp giáp kim loại-bán dẫn Do vậy, đƣợc thay thế bằng diode Schottky mà tiếp xúc kim loại được nuôi trong môi trường chân không (hình 2.2)
Hình 2.2: Diode Schottky có tiếp xúc được tạo trong môi trường chân không
Một trong những khuyết điểm của loại diode trên là các hiệu ứng đánh thủng (breakdown) xảy ra xung quanh biên của vùng đƣợc phủ kim loại (đây là nguyên nhân
Nguyễn Quốc Tuấn Trang 15 của sự hiện diện các điện trường lớn xung quanh vùng biên này) và sự rỉ dòng Để vượt qua vấn đề này, người ta thêm vào một vòng bảo vệ điện trường (guard ring) làm bằng vật liệu bán dẫn loại p+ (phương pháp khuếch tán) và một lớp oxide bao quanh vùng biên này (hình 2.3) Vòng bảo vệ này có tác dụng lái sự đánh thủng thác lũ vào nó trước khi chuyển tiếp Schottky bị phá hủy bởi dòng điện ngƣợc lớn trong các sự kiện quá độ
Hình 2.3: Cấu trúc diode chỉnh lưu gồm vòng bảo vệ
Dạng cấu trúc diode Schottky này được sử dụng nhiều trong các diode chỉnh lưu vì nó thích hợp hoạt động ở cao thế và tránh đƣợc hiệu ứng đánh thủng điện
2.1.2 Tiếp xúc kim loại – bán dẫn
Tiếp xúc kim loại – bán dẫn đƣợc hình thành khi một kim loại và một bán dẫn tiếp xúc trực tiếp với nhau Tùy thuộc vào loại bán dẫn (bán dẫn loại n hay p) và công thoát của kim loại và bán dẫn mà tiếp xúc có thể là Schottky (chỉnh lưu) hay là Ohmic Công thoát là năng lƣợng cần cung cấp để làm bức một điện tử khỏi bề mặt của chất rắn và nó có giá trị bằng hiệu số của mức năng lƣợng chân không với mức năng lƣợng Fermi [9, 10]
Hình 2.4: Biểu đồ năng lượng của tiếp xúc Schottky: a) trước khi kim loại và bán dẫn tiếp xúc; b) trạng thái cân bằng sau khi kim loại-bán dẫn tiếp xúc
Nguyễn Quốc Tuấn Trang 17 Để khảo sát sự hình thành rào thế Schottky, ta xét tiếp xúc kim loại – bán dẫn loại n lý tưởng Ta giả thiết rằng m > s hình 2.4 a ) Sơ đồ vùng năng lượng ở trạng thái cân bằng nhiệt lý tưởng khi kim loại – bán dẫn tiếp xúc với nhau được trình bày trong hình 2.4 b)
Trước khi tiếp xúc, mức Fermi của bán dẫn nằm trên mức Fermi của kim loại Khi kim loại và bán dẫn tiếp xúc với nhau sẽ xảy ra sự dịch chuyển của các hạt tải để tiến đến trạng thái cân bằng Các electron từ bán dẫn chảy vào trạng thái năng lƣợng thấp hơn trong kim loại để lại các ion dương, hình thành một vùng điện tích không gian trong chất bán dẫn ở mặt tiếp giáp kim loại – bán dẫn Kết quả của việc cân bằng mức Fermi làm cho các vùng năng lƣợng của bán dẫn loại n bị bẻ cong về phía trên hình thành nên rào thế tiếp xúc Rào thế này có tác dụng ngăn cản sự dịch chuyển của các hạt tải từ bán dẫn sang kim loại nó có giá trị bằng [11]:
V bi = m - s (2.1) Rào thế B đƣợc gọi là rào thế Schottky, nó ngăn cản sự dịch chuyển của các điện tử từ kim loại sang bán dẫn:
b = m – χ (2.2) Trong đó, ái lực electron của bán dẫn Đối với tiếp xúc kim loại - bán dẫn loại p, tiếp xúc này sẽ hình thành rào Schottky khi m < s Và giá trị của rào thế Schottky sẽ là:
Hình 2.5: Biểu đồ năng lượng của tiếp xúc Ohmic
Nguyễn Quốc Tuấn Trang 18 Tiếp xúc Ohmic là tiếp xúc có điện trở thấp cho phép dẫn theo cả hai hướng Một cách lý tưởng, tiếp xúc Ohmic là hàm tuyến tính của thế áp vào, dòng điện sẽ tuân theo định luật Ohm Ở phần trên ta đã khảo sát, từ một tiếp xúc kim loại – bán dẫn sẽ hình thành tiếp xúc Schottky khi m > s Điều kiện để hình thành tiếp xúc Ohmic sẽ là ngƣợc lại m s Trong hình sau, mô tả lại các tiếp xúc ứng với các loại bán dẫn và công thoát khác nhau, cũng nhƣ khái quát lại điều kiện hình thành tiếp xúc Schottky và Ohmic
Hình 2.6: Giản đồ năng lượng của các tiếp xúc ứng với các loại bán dẫn và công thoát khác nhau; loại n: (a) m > s (Schottky), (b) m s
Bảng 2.1: Bảng phân loại tiếp xúc kim loại – bán dẫn theo công thoát
Bán dẫn loại N Bán dẫn loại P
m > s Tiếp xúc Schottky Tiếp xúc Ohmic
m < s Tiếp xúc Ohmic Tiếp xúc Schottky
2.1.3 So sánh đặc tuyến giữa diode thường và diode Schottky
Schottky diode là một loại diode bán dẫn với độ sụt áp thuận nhỏ và thời gian hồi phục rất nhanh Tiếp xúc Schottky đƣợc tạo thành giữa kim loại-bán dẫn thay vì bán dẫn –bán dẫn như diode thông thường Những kim loại thường được sử dụng như Molybdeum, Platinum, Chrome, hoặc nhôm ; còn bán dẫn thường là silicon loại N Phần kim loại đóng vai trò là anode còn phần bán dẫn loại N đóng vai trò là cathode của diode
Chính tiếp xúc Schottky này làm nên đặc tính độ sụt áp thuận nhỏ và thời gian hồi phục rất nhanh của Schottky diode
Cả bán dẫn loại N lẫn loại P đều có khả năng tạo thành hiệu ứng Schottky Tuy nhiên đối với bán dẫn loại P thì cho ra điện thế ngƣỡng thấp hơn Khi điện thế ngƣỡng càng nhỏ thì dòng rò càng cao, do đó điện thế ngƣỡng không đƣợc quá thấp và bán dẫn loại P ít đƣợc sử dụng trong Schottky diode
Nếu tăng nồng độ pha tạp trong lớp bán dẫn lên thì độ rộng vùng cấm sẽ hẹp lại Độ rộng này phải đủ lớn để hạt dẫn không thể dễ dàng vƣợt qua vùng cấm do nếu pha ở nồng độ cao thì tiếp xúc lúc này không còn tính chất chỉnh lưu nữa mà chuyển sang thành tiếp xúc Ohmic Do đó, đối với nồng độ pha tạp ở chất bán dẫn loại N chỉ nên là vừa phải để giữ đƣợc tính chất cho Schottky diode
Vật liệu SiC và Schottky diode dựa trên nền tảng vật liệu SiC
2.2.1 Lịch sử phát triển của vật liệu SiC
Silicon carbide (SiC) lần đầu tiên đƣợc phát hiện bởi Jons Jacob Berzelius vào năm 1824 Sau đó, Acheson đã tạo ra SiC bằng cách nung than vào Silica với nhau trong một lò nung nhiệt độ cao SiC đƣợc áp dụng trong điện tử lần đầu tiên vào năm 1907, trong một ứng dụng về LED từ vật liệu SiC Tuy nhiên, ứng dụng này đã không đƣợc phát triển tiếp sau đó do việc tạo ra vật liệu SiC có chất lƣợng cao gặp nhiều khó khăn vì kỹ thuật phát triển tinh thể chƣa phát triển và khó kiểm soát
Năm 1955, Lely phát minh ra một kỹ thuật nuôi cấy tinh thể quan trọng có thể kiểm soát quá trình hình thành tinh thể vật liệu SiC Tuy nhiên, kỹ thuật này cũng chƣa thực sự giúp có thể tạo ra vật liệu SiC làm đế có chất lƣợng cao Do đó kỹ thuật này cũng không đƣợc tiếp tục phát triển tiếp
Vào đầu những năm 1970 khi hai nhà khoa học người Nga là Tairov và Tsvetkov phát minh ra phương pháp mới cho việc hình thành tinh thể SiC gọi là phương pháp tạo mầm tinh thể thăng hoa, phương pháp này giúp lần đầu tiên có thể chế tạo ra những wafer từ vật liệu SiC Tiếp theo, một phương pháp quan trọng khác được phát minh được gọi là
“lắng đọng bước có kiểm soát” vào năm 1987 Phương pháp này được ứng dụng cho việc tạo ra các wafer SiC có chất lƣợng cao cho việc chế tạo các linh kiện bán dẫn đã đƣợc thương mại hóa như Schottky diode và MESFET sản xuất bới hãng Cree Inc và Infineon
2.2.2 Những tính chất quan trọng của vật liệu SiC [14,15]
Silicon carbide là một loại vật liệu bán dẫn có band-gap rộng đƣợc nghiên cứu nhƣ một loại vật liệu tiềm năng cho việc chế tạo các linh kiện bán dẫn có thể hoạt động trong các điều kiện môi trường khắc nghiệt Những tính chất quý giá quan trọng của SiC như khe năng lượng rộng, độ cứng cao, bền hóa học, điện trường đánh thủng lớn và độ dẫn nhiệt cao giúp cho các linh kiện bán dẫn chế tạo từ loại vật liệu này có khả năng hoạt động ở nhiệt độ cao, điện thế cao và tần số lớn Điều này đã làm cho SiC trở thành một loại vật liệu tiềm năng cho ngành công nghiệp bán dẫn
SiC là một chất rắn không màu, cứng và bền về mặt hóa học tại nhiệt độ phòng và nó không đƣợc tìm thấy ở dạng lỏng nhƣng có thể thăng hoa thành hơi Si, Si 2 C và SiC 2 tại nhiệt độ trên 1800 o C
Khe năng lƣợng của chất rắn là khoảng cách từ đỉnh của vùng hóa trị tới đáy của vùng dẫn Nếu một electron từ vùng hóa trị đƣợc cung cấp một năng lƣợng bằng hoặc lớn hơn khe năng lƣợng thì nó sẽ nhảy từ vùng hóa trị lên vùng dẫn và trở thành electron tự do
Khe năng lƣợng cũng là thông số đặc trƣng cho khả năng dẫn điện của một loại vật liệu rắn
Vật liệu bán dẫn có khe năng lƣợng nằm giữa giá trị khe năng lƣợng của vật liệu dẫn điện và cách điện Trong các loại vật liệu bán dẫn có những loại có khe năng lƣợng hẹp nhƣ silicon có khe năng lƣợng 1.1 eV và germani 0.67 eV Một số loại vật liệu bán dẫn có khe năng lƣợng rộng hơn nhiều đƣợc gọi là các loại vật liệu bán dẫn khe rộng nhƣ GaN có khe năng lƣợng 3.4 eV và silicon carbide 3.26 eV Khe năng lƣợng rộng của SiC là đặc tính quan trọng giúp các linh kiện từ vật liệu này có thể hoạt động ở nhiệt độ cao trong khi các linh kiện từ vật liệu Si không thể
Nguyễn Quốc Tuấn Trang 23 Độ lớn của điện trường có thể gây ra sự phá vỡ liên kết của vật liệu gọi là điện trường đánh thủng của vật liệu Giá trị này khác nhau tùy theo loại vật liệu bán dẫn và phụ thuộc vào nồng độ pha tạp của bán dẫn Giá trị điện trường đánh thủng của SiC là 2.49 MV/cm và của Si là 0.401 MV/cm tại cùng một mức độ pha tạp
Vận tốc trôi bão hòa
Các hạt mang điện trong vật liệu bán dẫn có một vận tốc trôi tỉ lệ thuận với điện trường ngoài Vận tốc trôi của các hạt mang điện tăng lên khi ta tăng điện trường, đến một giá trị nhất định thì lúc này nếu tiếp tục tăng điện trường thì vận tốc trôi vẫn không đổi Giá trị vận tốc di chuyển lớn nhất của hạt mang điện đạt được khi tăng điện trường gọi là vận tốc trôi bão hòa
Ngoài ra, vận tốc trôi của hạt tải còn phụ thuộc vào một hằng số gọi là độ linh động của hạt tải Mỗi loại vật liệu bán dẫn khác nhau có độ linh động hạt tải khác nhau Các vật liệu có độ linh động hạt tải lớn hơn thì vận tốc hạt tải cũng lớn hơn so với các vật liệu có độ linh động hạt tải nhỏ SiC có vận tốc hạt tải bão hòa rất cao, điều này làm cho SiC là loại vật liệu phù hợp để chế tạo các linh kiện điện tử tần số cao Vận tốc trôi bão hòa của SiC là 2x10 7 cm/s, cao gần gấp đôi so với vận tốc trôi bão hòa của Si
Hệ số dẫn nhiệt cao và độ dãn nở nhiệt nhỏ giúp cho SiC bền và không bị phá hủy ở nhiệt độ cao Độ dẫn nhiệt cao giúp quá trình giải phóng nhiệt ra môi trường nhanh, do đó nhiệt độ của linh kiện tăng chậm trong quá trình hoạt động
SiC có độ dẫn nhiệt cao (hơn Si) Do đó nó là loại vật liệu trong các linh kiện điện tử hoạt động trong các điều kiện nhiệt độ cao và các linh kiện yêu cầu phải có tính tiêu tán nhiệt tốt Các linh kiện bán dẫn từ Si bị giới hạn bởi nhiệt độ hoạt động tối đa là 150 o C, trong khi các linh kiện làm từ vật liệu SiC có thể hoạt động trong điều kiện môi trường lên tới 600 o C
Nguyễn Quốc Tuấn Trang 24 SiC có mật độ nguyên tử trong các ô mạng lớn so với các loại chất bán dẫn khác nhƣ Si vì vậy SiC rất cứng (chiều dài liên kết rất ngắn giữa các nguyên tử Si và C) Mạng tinh thể rắn của SiC đƣợc cấu tạo với 4 nguyên tử C liên kế cộng hòa trị (sp 3 ) với 1 nguyên tử Si tại trung tâm hình thành nên cấu trúc tứ diện Khoảng cách giữa 2 nguyên tử C là 3.08 A o và khoảng cách giữa nguyên tử C và Si là 1.89 A o nhƣ trong hình 2.8
Hình 2.8: Đơn vị tinh thể của SiC
Nhờ đặc điểm cấu trúc tinh thể nhƣ trên làm cho SiC trở thành một loại vật liệu rất cứng (chỉ sau kim cương và boron nitride) và bền (cơ và hóa) Ở nhiệt độ dưới 800 o C, SiC không thể bị bất cứ dung dịch acid hay bazơ nào tấn công Khi để ngoài không khí hình thành một lớp oxit bảo vệ giúp vật liệu này còn trở nên bền hơn
Có nhiều dạng cấu trúc tinh thể khác nhau của SiC, ví dụ: 3C-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC
Một số ứng dụng của Schottky diode
Với các đặc điểm đặc thù ƣu việt của vật liệu SiC và tính chất Schottky, diode Schottky đƣợc sử dụng trong các ứng dụng đặc biệt Sự tái hợp ngẫu nhiên giữa lỗ trống và electron rất hữu dụng trong các máy phát điện, tốc độ nhanh của diode Schottky cho phép các mạch có thể hoạt động ở tần số trong khoảng 200 kHz tới 2 MHz, có khả năng ứng dụng trong các tụ điện, điện cảm Diode Schottky chính là thành phần chính của bộ phát và điều chỉnh sóng radio, hoạt động ở tần số 50 GHz
Hình 2.9: Các bộ biến điện A/D dùng trong a) các tấm panel solar cell; b) tuabin gió; c) xe hơi điện hybrid
Nguyễn Quốc Tuấn Trang 28 Dòng điện ngƣợc và sự ngăn chặn sự xả điện: Vì Schottky diode có độ sụt thế ở chế độ phân cực thuận thấp nên sự tiêu hao năng lƣợng vì nhiệt thấp [20] Chính vì vậy nó đƣợc sử dụng trong các ứng dụng mà vấn đề hiệu suất là quan trọng Chẳng hạn, Schottky diode đƣợc sử dụng trong các hệ thống pin mặt trời tách rời để bảo vệ pin từ việc xả điện qua các tấm panel solar cell ban đêm, và trong hệ kết nối mạng lưới điện gồm có nhiều dây kết nối song song, để ngăn ngừa dòng điện ngƣợc chạy từ các dây kế cận qua các dây khác khi các diode rẽ mạch bị lỗi (hình 2.9)
Bộ khuếch đại (booster) dùng trong phương tiện sử dụng động cơ điện hybrid (HEV) sử dụng các module pin từ 400V-2kV Các xe hơi HEV đời mới sẽ tích hợp các bộ khuếch đại này.Động cơ RX400h của Toyota đang hoạt động ở điện thế 650V
Bộ nguồn: Schottky diode cũng đƣợc sử dụng trong các bộ nguồn có chức năng chuyển đổi (switch) trong các sản phẩm điện tử mà có một pin (hoạt động trên pin) và adaptor (hoạt động từ nguồn AC ngoài), chẳng hạn nhƣ laptop, Đặc tính điện thế thuận thấp và thời gian phục hồi nhanh sẽ làm tăng hiệu suất bộ nguồn (hình 2.10) Dòng điện rỉ khi ở chế độ phân cực ngƣợc cao là một trở ngại khi mạch điện dò điện thế áp trở cao (chẳng hạn theo dõi điện thế pin hoặc dò xem adaptor có hiện diện hay không) sẽ xem có điện thế từ các nguồn khác hay không qua sự rỉ dòng trong diode
Hình 2.10: Schottky diode trong bộ nguồn
MÔ PHỎNG SCHOTTKY DIODE
Mục tiêu của quá trình mô phỏng Schottky diode
Mô hình hóa và mô phỏng linh kiện bán dẫn là diode Schottky với sự hỗ trợ của phần mềm Comsol multiphysics Từ kết quả mô phỏng kết hợp với phân tích kết quả thu đƣợc các dự đoán ban đầu về các tính chất của linh kiện Schottky diode nhƣ: quá trình truyền vận các hạt tải (electron và lỗ trống) xảy ra trong linh kiện; hàm phụ thuộc của điện thế và dòng điện; hay các tính chất vật lý nhƣ cấu trúc hình học, nồng độ pha tạp, phân bố mức năng lƣợng, vv…
Trong quá trình mô phỏng, chúng ta cũng có thể thay đổi các thông số thiết kế nhƣ: độ dày và nông độ pha tạp của lớp Epi, kích thước linh kiện,…nhằm mục đích tối ưu hóa các đại lƣợng vật lý quan trọng của linh kiện mô phỏng
Từ các kết quả của quá trình mô phỏng có thể góp phần quan trọng đẩy nhanh quá trình nghiên cứu và thiết kế linh kiện, giúp giảm thời gian và chi phí cho quá trình thực nghiệm Mặt khác, quá trình mô phỏng có thể tính toán mô phỏng các chi tiết có kích thước rất nhỏ mà thực nghiệm rất khó hoặc không thể thực hiện được
Trong luận văn này, đặc tuyến phân cực ngƣợc của Schottky diode tạm thời không đƣợc đề cập đến trong mô hình mô phỏng Việc mô phỏng sự phụ thuộc của điện thế và dòng điện ở điều kiện phân cực ngƣợc để xác định giá trị của điện áp đánh thủng (VR) cũng nhƣ dòng rò (I R ) cần thêm rất nhiều các thông số thực nghiệm mà trong phạm vi luận văn chƣa thể cung cấp đầy đủ
Tổng quan một số nghiên cứu về mô hình hóa và mô phỏng các linh kiện bán dẫn 30
Trong những năm gần đây, các linh kiện dựa trên cơ sở lƣợng tử đã xuất hiện ngày càng nhiều trong các nhu cầu khác nhau trong cuộc sống: trong các hệ thống thông tin liên lạc, các nguồn laser, photo-detectors, Dựa trên những nhu cầu này, nhiều nhóm nghiên cứu trên toàn thế giới đã tập trung nghiên cứu thiết kế những linh kiện mới tối ƣu hoạt động của các linh kiện này nhằm đáp ứng được các nhu cầu trên thị trường, dẫn đến nhu cầu sử dụng các mô hình mô phỏng [21-30] Có nhiều phần mềm thương mại hay tự xây dựng phục vụ cho việc mô phỏng các linh kiện lƣợng tử Hầu hết các phần mềm tập trung mô hình hoá các hiện tượng vật lý độc lập: đường phân bố nhiệt độ hay dòng nhiệt, sự dẫn điện, mật độ dòng, hay sự khuếch tán của các loại hạt tải
Một mô hình cơ – lượng tử dựa trên phương trình Schrodinger tính toán rào thế hình thành tại giao diện kim loại – bán dẫn đã đƣợc phát triển trong nghiên cứu của tác giả
Dimitriu cùng các đồng nghiệp để mô tả đặc tính điện của Schottky diode Các tham số của mô hình được tính toán dựa trên phương pháp của Norde, được đưa vào mô hình để mô tả đặc tuyến điện tại cả điều kiện điện áp thuận và điện áp ngƣợc Kết quả mô hình sau đó đƣợc so sánh với dữ liệu thực nghiệm cho thấy độ chính xác cao của mô hình [31]
Xuất phát từ những nhu cầu thực tế, một phần mềm đƣợc phát triển bởi nhóm nghiên cứu của trường đại học kỹ thuật Lodz phù hợp cho việc mô mỏng các linh kiện lượng tử
Phần mềm này có thể mô hình đƣợc các linh kiện phức tạp với nhiều lớp cấu trúc có độ dày từ kích thước nano cho tới kích cỡ lớn tới mm, có thể tính toán được tương tác kết hợp của nhiều hiện tƣợng vật lý khác nhau khi thực hiện quá trình mô phỏng Phần mềm chứa nhiều công cụ thích hợp để mô phỏng các hiện tƣợng, đầu ra của một giai đoạn là đầu vào cho một giai đoạn mô phỏng khác [32]
Tác giả Kaushal và các cộng sự trong nghiên cứu của mình đã sử dụng phương trình Poisson’s và các phương trình trôi khuếch tán để mô phỏng đặc tuyến dòng điện- điện thế của Schottky diode Các dữ liệu thu đƣợc từ quá trình mô phỏng sau đó đƣợc phân tích để
Nguyễn Quốc Tuấn Trang 31 nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số bán dẫn lên các đặc tính của linh kiện Schottky diode [33]
Năng lƣợng Bandgap rộng, transitor độ linh động electron cao (HEMT) của cấu trúc vật liệu AlGaN/GaN đã được chú ý như là một loại vật liệu lý tưởng cho các linh kiện vi sóng hiệu năng cao, nhờ vào những đặc tính điện của loại vật liệu này Mặc dù các linh kiện HEMT dựa trên cấu trúc GaN đƣợc cho là sẽ làm tăng thời gian sử dụng của các linh kiện nếu so với các linh kiện trước đây, tuy nhiên khả năng hoạt động ổn định ở nhiệt độ cao vẫn là một vấn đề đáng quan tâm trong các kiểm tra.Vật liêụ GaN HEMT trên đế sapphire cho thấy tính chất tự gia nhiệt cao, do vật liệu sapphire có độ dẫn nhiệt thấp (0.35 W/cm/K tại 300K) Để cải thiện những nhược điểm này, người ta nghiên cứu sử dụng các loại vật liệu có độ dẫn điện cao như đế SiC (3.3W/cm/K) Có nhiều phương pháp phân tích quá trình nhiệt xảy ra trong cấu trúc HEMT Nhóm nghiên cứu của tác giả Regoliosi áp dụng phương pháp dựa trên việc đánh giá nhiệt trở bằng phương pháp dòng quang điện (PC) Ngoài ra, bài báo cũng sử dụng phương pháp mô phỏng sử dụng phần mềm Multiphysic nhằm so sánh độ tương đồng giữa hai phương pháp [34]
Có nhiều con đường khác nhau để xác định sự phân bố nhiệt độ của cấu trúc
AlGaN/GaN HEMT hiệu năng cao như phương pháp mô phỏng toán học dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn, kính hiển vi hồng ngoại, phương pháp đo phổ Raman, cũng như các phương pháp dựa trên việc đo các tín hiệu điện Tác giả Russo cùng các cộng sự trình bày các phương pháp khác nhau để phân tích đặc tính nhiệt của cấu trúc AlGaN/GaN HEMT phát triển trên đế SiC Phương pháp mô phỏng chính xác 3-D (thermal modul FEM) đƣợc thực hiện bởi phần mềm comsol kết hợp với công cụ in- house giúp ích cho giai đoạn meshing một cách thông minh hơn [35]
Những khó khăn gặp phải trong việc phân tích các đặc tính nhiệt- điện của các linh kiện bán dẫn liên quan đến việc phải giải đồng thời nhiều phương trình vi phân phi tuyến tính, việc phân tích các tính chất vật lý của các quá trình điện, nhiệt và đặc biệt là kích thước nhỏ (nm) của các linh kiện bán dẫn Phương pháp mô phỏng đặc tính nhiệt- điện phục vụ cho quá trình thiết kế, mô hình và đánh giá độ tin cậy của các linh kiện bán dẫn
Nguyễn Quốc Tuấn Trang 32 và các mạch điện Nhóm nghiên cứu của tác giả Menozzi tập trung mô phỏng 2D và 3D cấu trúc GaAs-based HFET và HBT Mục đích của phương pháp là tìm ra sự phụ thuộc của nhiệt độ vào nguồn cấp [36]
Trong một báo cáo khác, nhóm nghiên cứu của tác giả Mukherjee tập trung vào mô hình phân tích đặc tính nhiệt của diode lasers hiệu năng cao diện tích rộng và sóng liên tục bằng phương pháp phân tử hữu hạn Nhiều bài báo trước đây đã sử dụng mô hình 2-D để phân tích cấu trúc linh kiện này Ở bài báo này, tác giả sử dụng cả 2 mô hình 2-D và 3- D trong quá trình mô phỏng Kết quả cho thấy mô hình 2-D không những cho kết quả quá cao của đường phân bố nhiệt độ mà còn cho thấy không thích hợp để mô hình hoá các laser có độ mở rộng Để giải mô hình, sử dụng 2 solver là GMRES và SSOR trong phần mềm Comsol [37]
Tác giả Matys và các cộng sự đã mô hình hóa và phân tính đặc tính quang điện tại bề mặt của linh kiện có cấu trúc kim loại/ chất cách điện/ bán dẫn n-GaN khi bị kích thích bởi chùm sáng tia UV Quá trình mô phỏng tính toán sử dụng mô hình khuếch tán 2 chiều [38].
Mô hình hóa và mô phỏng Schottky diode bằng phần mềm Comsol multiphysics 32
Comsol multiphysics là một phần mềm mô phỏng dựa trên các phương pháp số tiên tiến, để mô hình hóa và mô phỏng các quá trình, các bài toán kỹ thuật dựa trên các tính chất vật lý Với Comsol multiphysics bạn có thể tính toán mô phỏng các hiện tƣợng vật lý riêng lẻ hay có thể kết hợp đƣợc nhiều hiện tƣợng vật lý khác nhau nhƣ các mô hình điện, cơ khí, dòng chảy, các ứng dụng trong hóa học, bán dẫn,…(hình 3.1) Đồng thời, Comsol multiphysics còn cung cấp một giao diện mở rộng để kết nối với các công cụ, phần mềm khác nhƣ Matlab, CAD, ECAD, nhằm tăng khả năng lập trình, xử lý trong quá trình mô phỏng
Có thể nói Comsol multiphysics là một phần mềm hữu ích, có tính trực quan cao và linh hoạt trong mô phỏng Giao diện gồm có 3 cửa sổ chính thường sử dụng đó là Model
Nguyễn Quốc Tuấn Trang 33 Builder để tạo các đối tƣợng, Settings để thiết lập tham số và Graphics để hiển thị kết quả mô phỏng dưới dạng đồ họa trực quan Ngoài ra, trên màn hình Comsol còn chứa hệ thống các thanh công cụ (Toolbar) giúp người dùng có thể thực hiện các mệnh lệnh trong từng bước thiết lập mô hình mô phỏng
Hình 3.1: Giới thiệu phần mềm Comsol multiphysics
Semiconductor module chứa trong phần mềm comsol multiphysics có thể thực hiện mô phỏng các quá trình ổn định hoặc biến đổi theo thời gian của các linh kiện theo các mô hình 1D, 2D hoặc 3D Semiconductor module có thể mô hình đƣợc một số lƣợng lớn các linh kiện bán dẫn, đồng thời có thể kết hợp với một số các hiện tƣợng vật lý khác nhƣ: các tín hiệu 1 chiều hoặc xoay chiều (AC and DC signals), các mô hình truyền nhiệt, truyền khối,…
Các giao diện vật lý có thể giải được các phương trình bán dẫn bằng cả hai phương pháp phần tử hữu hạn (finite element method) hoặc là phương pháp thể tích hữu hạn (finite volume method) Giao diện cũng giải kết hợp các phương trình vi phân từng phần
Nguyễn Quốc Tuấn Trang 34 để cho kết quả tính toán hiệu điện thế cũng nhƣ nồng độ của các electron và lỗ trống
Phần mềm cung cấp sẵn các phương trình cho việc giải các tính chất vật lý của linh kiện bán dẫn, đồng thời cũng cho phép người dung tự thiết lập các phương trình theo ý muốn Để thiết lập mô hình một linh kiện vật lý thực hiện theo trình tự sau:
Xây dựng cấu trúc hình học của linh kiện
Lựa chọn các vật liệu
Thêm vào các đặc tính cho mô hình semiconductor
Phân bố các chất pha tạp được tính riêng biệt sử dụng phương trình tính toán quá trình khuếch tán sau đó nhập vào mô hình
Thiết lập các điều kiện ban đầu và điều kiện biên
Thiết lập mesh cho mô hình
Cuối cùng lựa chọn phương pháp giải và phân tích kết quả thu được
Một số loại linh kiện thông dụng có thể đƣợc mô phỏng với semiconductor module bao gồm: MOSFET, MESFETS, JFETS, diode và các transitor lƣỡng cực.
Một số phương trình quan trọng dùng trong quá trình mô phỏng
Trong cấu trúc của linh kiện Schottky diode, vùng cấu tạo chính và đóng vai trò quan trọng trung tâm nhất là lớp bán dẫn Epi SiC Lớp vật liệu này đặc trƣng bởi các thông số quan trọng là nồng độ pha tạp (N D ) và độ dày (L D ) và điện trở (R D ) Tại đây, các điện tử và lỗ trống di chuyển, va chạm và tái hợp với nhau hay di chuyển qua các vùng tiếp xúc với kim loại Các quá trình này sẽ quyết định tính chất của linh kiện
Do đó, để đơn giản hóa mô hình mô phỏng linh kiện Schottky diode, mô hình tập trung mô phỏng đặc tính điện xảy ra tại vùng chính của Schottky diode Các lớp vật liệu, các vùng tiếp xúc xung quanh đƣợc thiết lập nhƣ là các điều kiện biên của mô hình Sơ đồ cấu trúc hình học của mô hình mô phỏng (không xét tỉ lệ) đƣợc thể hiện nhƣ trong hình 3.2
Hình 3.2: Sơ đồ cấu trúc hình học của Schottky diode (hình trên); và sơ đồ cấu trúc mô hình mô phỏng Schottky diode (hình bên dưới)
Các phương trình và điều kiện biên được thiết lập sau đây dùng để giải cho mô hình này
3.4.1 Phương trình trôi – khuếch tán:
Phương trình trôi – khuếch tán (drift –diffusion equation) được sử dụng để mô hình hoá sự chuyển dịch của các electron và lỗ trống bên trong linh kiện [40-44] Dòng di chuyển của các hạt tải bên trong chất bán dẫn bao gồm 2 thành phần Dòng chuyển động trôi của electron (hoặc lỗ trống) do điện trường và dòng khuếch tán do sự chênh lệch nồng độ giữa các vùng trong bán dẫn Nguồn gốc của tên gọi xuất phát từ i) sự trôi dạt hạt tải (carrier drift) do tác động của trường điện từ và ii) sự khuếch tán hạt tải (carrier diffusion) do gradient nồng độ
Phương trình được xây dựng dựa trên sự bảo toàn điện tích Phương trình thể hiện mối quan hệ giữa sự biến đổi của nồng độ hạt tải theo thời gian với gradient mật độ dòng, và tốc độ của các quá trình hình thành và tái hợp hạt tải
n và p là nồng độ electron và lỗ trống tương ứng
J n và J p tương ứng là mật độ dòng electron và lỗ trống
R hệ số tái kết hợp hạt tải (R>0: cho sự hình thành cặp electron lỗ trống, R>k B T/q như sau:
(3.27) Từ đồ thị ln(I) với V từ thực nghiệm, giao điểm của dòng tại V=0 cho ta giá trị của I s Từ đó, giá trị của rào thế 𝜱 B đƣợc tính theo công thức:
Bảng 3.1: Các tham số sử dụng trong mô hình
Tham số Giá trị Ghi chú Điện trường đánh thủng, ε r (kV/cm) 2200 [54]
Hằng số điện môi, ε 0 10.1 [54] Độ rộng vùng cấm, E g (V) 3.26 [54] Ái lực electron, χ (V) 4.1 [54]
Nồng độ pha tạp, N D (cm -3 ) 5E+15 [**]
Hằng số Richardson, A * (A.cm -2 K -2 ) 146 [53] Độ linh động electron, μ D (cm 2 /V.s) 550 [53]
Bề dày vùng chuyển động trôi, L D (μm) 8 [**]
Diện tích vùng hoạt động, A (cm 2 ) 0.0021 [**] Điện trở chuỗi, R S (Ω) 0.87 [*]
Ghi chú: [*]: Các tham số tính toán, [**] tham số thiết kế
QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO SCHOTTKY DIODE
Toàn bộ quy trình chế tạo Schottky diode đƣợc thực hiện tại phòng sạch (Clean- room) Trung tâm Nghiên cứu & Triển khai Khu Công nghệ cao [57] Hình 4.1 và hình 4.2 cho ta thấy những hình ảnh tổng quan của khuôn viên phòng sạch tại Trung tâm
Nghiên cứu & Triển khai Khu Công nghệ cao Tp HCM
Hình 4.1 : Phòng sạch tại Trung tâm Nghiên cứu Triển khai Khu Công nghệ cao(600 m 2 )
Hình 4.2: Phòng quang khắc chuẩn 100-Class, 60 m 2 (trái) và phòng khắc ăn mòn chuẩn
Mục tiêu và nội dung thực hiện
Mục tiêu của nghiên cứu thực nghiệm là làm chủ đƣợc đƣợc quy trình chế tạo Schottky diode bao gồm: kiểm soát quy trình quang khắc để đạt được kích thước tới hạn 2 àm; kiểm soỏt quỏ trỡnh tạo cỏc màng oxide, nitride bằng phương phỏp lắng đọng hơi hóa học (PECVD) và các màng kim loại bằng phương pháp phún xạ đạt yêu cầu chất lƣợng để phục vụ cho việc chế tạo linh kiện Schottky diode để ứng dụng trong các thiết bị trữ điện, ô tô điện,
Sau khi hoàn tất quy trình chế tạo và đo các đặc tính điện của linh kiện, kết quả cần đạt đƣợc là linh kiện Schottky diode có điện thế đánh thủng 200V, độ sụt thế 2V và dũng rũ bộ hơn 2àA (bảng 4.1) Thời gian phục hồi (tRR) cũng là một đặc tớnh quan trọng của diode Schottky Tuy nhiên, do điều kiện trang thiết bị tại Phòng thí nghiệm bán dẫn của Khu Công nghệ cao chƣa trang bị hệ thống đo thời gian phục hồi cũng nhƣ hệ thống gia nhiệt của thiết bị đo đặc tuyến điện (hệ thống đo thời gian phục hồi của diode là khá phức tạp và đắt tiền) Do đó, việc khảo sát giá trị thời gian phục hồi và sự ảnh hưởng của nhiệt độ lên các tính chất điện của Schottky diode không đƣợc đƣa vào mục tiêu nghiên cứu trong đề tài này Việc khảo sát thời gian phục hồi cũng như ảnh hưởng của nhiệt độ lên tính chất điện của Schottky diode đƣợc đƣa vào mục tiêu cho các nghiên cứu sau này
Các chỉ tiêu về tham số kỹ thuật đƣa ra đƣợc dựa trên điều kiện thực tế về trang thiết bị có sẵn tại Phòng thí nghiệm bán dẫn của Khu Công nghệ cao và tham số kỹ thuật của một số diode Schottky tương tự đã được thương mại hóa (xem bảng 4.2)
Tóm tắt một số tham số kỹ thuật của Schottky diode từ vật liệu SiC của 2 hãng Microssemi (UPSC200) và Infineon Technologies (SDT10S30) đƣợc thể hiện trong bảng
Bảng 4.1: Yêu cầu kỹ thuật đặt ra cho đề tài thực nghiệm chế tạo Schottky diode Điện thế đánh thủng V R (I R = 200 μA)
Dòng rò I R (V R = 200V) Độ sụt áp V F
Bảng 4.2: Tham số kỹ thuật của Schottky diode UPSC200 (hãng Microsemi) và Schottky diode SDT10S30 (hãng Infineon Technologies)
UPSC200 (Microsemi) Điện thế đánh thủng V R (tại I R = 200 μA)
Dòng rò I R (tại V R = 200V) Độ sụt áp V F (tại I F = 1A)
SDT10S30 (Infineon Technologies) Điện thế đánh thủng V R (tại I R = 200 μA)
Dòng rò I R (tại V R = 300V) Độ sụt áp VF (tại I F = 10A)
4.1.2 Nội dung thực hiện Đề tài thực hiện quy trình hoàn chỉnh để chế tạo linh kiện Schottky diode Quá trình chế tạo diode Schottky trải qua nhiều công đoạn, quy trình khác nhau Trong đó, ngoài những công nghệ đã có sẵn, còn có những quy trình cần tập trung kiểm soát để tối ƣu hóa các tham số công nghệ Đây cũng chính là những nội dung mà đề tài tập trung nghiên cứu, những nội dung này đƣợc liệt kê nhƣ trong bảng 4.3
Bảng 4.3: Nội dung thực hiện
STT Nội dung thực hiện Kết quả cần đạt Ghi chú
1 Kiểm soát quy trình tạo màng Silicon nitride (Si 3 N 4 ),
Silicon oxide (SiO 2 ) và đánh giá cấu trúc màng
Màng tạo thành có độ đồng đều và các đặc tính màng đạt yêu cầu Xem mục 4.2.2
2 Kiểm soát quy trình tạo màng các kim loại Ti, Ni, Al, Au và đánh giá tính chất màng
Màng tạo thành đạt độ dày và tính chất nhƣ mong muốn Xem mục 4.2.3
3 Kiểm soát quy trình quang khắc
Kích thước tới hạn sau bước quang khắc đạt giỏ trị 2àm Xem mục 4.2.5
4 Đo đạc các thông số điện sau khi hoàn tất chế tạo Schottky diode
Linh kiện sau chế tạo đáp ứng đƣợc khả năng điện thế đánh thủng 200V, độ sụt áp 2V và dòng rũ bộ hơn 2àA
KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
Kết quả mô phỏng
5.1.1 Đặc tuyến dòng điện – điện thế Đường đặc tuyến dòng điện – điện thế biểu diễn dòng điện là hàm của điện thế áp vào linh kiện đƣợc thể hiện nhƣ trong hình 5.1 Hình vẽ cho thấy đặc tuyến này giống với đặc tuyến dòng điện-điện thế của một diode Schottky thông thường
Hình 5.1: Đặc tuyến dòng điện – điện thế của Schottky diode
Từ đồ thị trên hình 5.1 cho biết giá trị độ sụt áp là ~ 0.93V
5.1.2 Biểu đồ phân bố nồng độ hạt tải
Trong cấu trúc của linh kiện Schottky diode, vùng cấu tạo chính và đóng vai trò quan trọng trung tâm nhất là lớp bán dẫn Epi SiC Lớp vật liệu này đặc trƣng bởi các thông số quan trọng là nồng độ pha tạp (N D ) và độ dày (L D ) và điện trở (R D ) Tại đây, các
Nguyễn Quốc Tuấn Trang 78 điện tử và lỗ trống di chuyển, va chạm và tái hợp với nhau hay di chuyển qua các vùng tiếp xúc với kim loại Các quá trình này sẽ quyết định tính chất của linh kiện
Do đó, để đơn giản hóa mô hình mô phỏng linh kiện Schottky diode, mô hình tập trung mô phỏng quá trình truyền vận điện tử xảy ra tại vùng chính của Schottky diode
Các lớp vật liệu, các vùng tiếp xúc xung quanh đƣợc thiết lập nhƣ là các điều kiện biên của mô hình Tiếp xúc kim loại với bán dẫn đƣợc thiết lập nhƣ điều kiện biên của mô hình mô phỏng, đồng thời điện thế đƣợc áp vào linh kiện tại tiếp xúc biên giữa kim loại và bán dẫn
Schottky diode làm từ vật liệu SiC là loại bán dẫn đa số, là loại bán dẫn trong đó một loại hạt tải chiếm đa số Đối với linh kiện Schottky diode chế tạo từ vật liệu n-SiC thì electron là hạt tải đa số Điều này có nghĩa quá trình truyền vận của hạt tải xảy ra trong bán dẫn đƣợc chi phối bởi các điện tử (electron), vai trò của loại hạt tải lỗ trống là không đáng kể có thể bỏ qua Hình 5.2 là phân bố mật độ của electron (cm -3 ) tại mặt cắt ngang của Schottky diode
Hình 5.2: Biểu đồ phân bố nồng độ của electron tại điện áp thuận 0.5V
Hình 5.2 cho thấy sự phân bố nồng độ của electron trên phần lớn cấu trúc linh kiện là giống nhau và đạt khoảng 5.10 15 (cm -3 ) Phân bố nồng độ electron thay đổi đáng kể tại vùng gần tiếp xúc Schottky Và tại vùng này thì mật độ electron thấp hơn so với các vùng khác (khoảng 5.10 14 cm -3 ) Điều này là phù hợp với lý thuyết, tại tiếp xúc Schottky giữa kim loại và bán dẫn hình thành 1 vùng nghèo trong đó mật độ điện tử tập trung ít Để xem xét kỹ hơn về sự biến đổi nồng độ tại vùng gần tiếp xúc Schottky, biểu đồ phân bố (1D) đƣợc xét tại mặt cắt dọc đi qua tâm của linh kiện với gốc tọa độ tính tại tiếp xúc Schottky (hình 5.2) Kết quả thu đƣợc nhƣ trong hình 5.3
Hình 5.3: Biểu đồ phân bố nồng độ electron tại mặt cắt A-A ứng với các giá trị điện áp khác nhau
Từ đồ thị phân bố trên hình 5.3 cho thấy khi phân cực ngƣợc (tại điện áp -0.5V) thì nồng độ electron tại tiếp xúc Schottky nhỏ (khoảng 2.10 4 cm -3 ), và đạt nồng bão hòa
(5.10 15 cm -3 ) tại vựng cỏch tiếp xỳc Schottky 0.6àm Khi đƣợc phõn cực thuận (tại điện áp 0.5V) thì nồng độ electron tại tiếp xúc Schottky tăng lên (2.10 11 cm -3 ) và nhanh chóng đạt giỏ trị bóo hũa tại vựng cỏch tiếp xỳc Schottky là 0.25àm Điều này cho thấy khi phõn cực thuận thì bề rộng vùng nghèo (vùng nồng độ thấp tại tiếp xúc Schottky) đƣợc thu hẹp lại, điện tử từ bán dẫn di chuyển qua kim loại làm cho nồng độ electron tại tiếp xúc Schottky tăng lên Tại điều kiện cân bằng nhiệt (điện áp 0V) thì đường phân bố nồng độ nằm giữa hai đường còn lại
Khi tăng điện áp thì độ cao rào thế tiếp xúc giảm, đồng thời các mức năng lƣợng quasi-Fermi dịch chuyển lại gần các mức năng lƣợng biên, dẫn đến việc điện tử từ bán
Nguyễn Quốc Tuấn Trang 81 dẫn di chuyển qua kim loại nhiều hơn làm cho mật độ điện tử tại vùng gần tiếp xúc kim loại – bán dẫn tăng lên, điều này là hoàn toàn đúng với lý thuyết khi dòng điện đi qua diode tăng lên tương ứng với việc tăng điện áp thuận
Khi điện thế dương áp vào kim loại, mức Fermi của kim loại tiến lại gần hơn với mức năng lƣợng Fermi của bán dẫn Điều này dẫn đến việc giảm rào thế của tiếp xúc Schottky Cân bằng nhiệt bị phá vỡ và thêm nhiều electron từ bán dẫn di chuyển qua kim loại Kết quả là việc tập trung đông của các điện tử tại vùng gần với tiếp xúc kim loại – bán dẫn, đồng thời độ rộng vùng nghèo bị thu hẹp lại
Khi áp vào kim loại một điện thế âm, mức năng lƣợng Fermi của kim loại tiến ra xa mức năng lƣợng Fermi của bán dẫn Rào thế Schottky tăng lên, hình thành nên vùng điện tích không gian lớn hơn và điện trường lớn hơn tại giao diện Điều này dẫn đến việc cản trở sự di chuyển của electron từ bán dẫn sang kim loại Kết quả là mật độ điện tử tại vùng ranh giới tiếp xúc giảm, đồng thời độ rộng vùng nghèo tăng lên
5.1.3 Biểu đồ phân bố các mức năng lƣợng
Biểu đồ các mức năng lƣợng của linh kiện đƣợc thể hiện tại các giá trị điện áp khác nhau nhƣ trong hình 5.4 Mức năng lƣợng dẫn và mức năng lƣợng hóa trị đƣợc ký hiệu lần lƣợt là Ec và Ev, mức năng lƣợng quasi-Fermi của electron đƣợc ký hiệu là Efn
Khi phân cực ngƣợc (tại điện áp -0.5V) thì mức năng lƣợng dẫn và mức năng lƣợng hóa trị tại tiếp xúc Schottky tăng lên (lần lƣợt là 1.4eV và -1.9eV) và đạt giá trị thấp nhất (lần lƣợt là 0.15eV và -3.1eV) tại vựng cỏch tiếp xỳc Schottky khoảng 0.5àm Ngƣợc lại, khi phân cực thuận (tại điện áp 0.5V), thì mức năng lƣợng dẫn và mức năng lƣợng hóa trị tại tiếp xúc Schottky giảm xuống (lần lƣợt là 0.4eV và -2.9eV) và đạt giá trị thấp nhất tại vựng cỏch tiếp xỳc Schottky khoảng 0.25àm Điều này cho thấy khi phõn cực thuận thỡ chiều cao rào thế Schottky và độ rộng vùng nghèo giảm, làm cho các điện tử dễ dàng di chuyển từ bán dẫn sang kim loại Tại điều kiện cân bằng nhiệt (điện áp 0V) thì các đường phân bố mức năng lượng nằm giữa hai đường còn lại
Hình 5.4: Biểu đồ phân bố các mức năng lượng tại các giá trị điện áp ngoài khác nhau
Kết quả thực nghiệm
5.2.1 Kiểm soát quá trình tạo màng SiO 2 , Si 3 N 4 a) Kết quả khảo sát màng SiO 2 :
Bảng 5.1 tóm tắt các kết quả thu được từ các thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ khí phản ứng tại áp suất buồng 600 mTorr, lưu lượng 5%SiH 4 /N 2 là 1000 sccm, thời gian tạo màng là 7.5 phút
Bảng 5.1: Kết quả khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ khí phản ứng đối với màng SiO 2
(mTorr) Độ dày trung bình (nm) Độ đồng đều (%)
Tốc độ phủ (nm/ph)
Từ kết quả trên bảng 5.1 cho thấy khi tăng lưu lượng khí N 2 O thì tốc độ tạo màng tăng dần cho tới khi tỉ lệ N 2 O:SiH 4 đạt giá trị 10, sau đó thì tốc độ tạo màng giảm dần khi tiếp tục tăng lưu lượng khí N 2 O Nguyên nhân là do khi tăng dần tỉ lệ N 2 O:SiH 4 từ 1 đến 10 ứng với tốc độ dòng khí nhỏ, sự hình thành plasma dễ hơn nên nhiều gốc phản ứng khuếch tán xuống màng hơn, và thời gian lưu trên bề mặt lớn nên tốc độ hình thành màng lớn Khi tiếp tục tăng lưu lượng khí N 2 O, tốc độ dòng tăng lên làm cho thời gian lưu giảm, dẫn đến tốc độ hình thành màng giảm
Bảng 5.1 cũng cho biết khi tỉ lệ phản ứng N 2 O:SiH 4 tăng thì chiết suất màng SiO 2 giảm do sự chiếm tỉ lệ lớn của gốc O so với các gốc SiH x tạo sự thuận lợi để xảy ra các liên kết Si-O Khi tỉ lệ khí thấp, chiết suất màng cao ứng với nồng độ Si trong màng cao hơn [65] Giá trị chiết suất thấp hơn sẽ cho biết màng tạo thành có thành phần SiO 2 cao hơn Từ bảng kết quả cho thấy mẫu thí nghiệm số 3 là mẫu cho kết quả màng SiO2 chất lƣợng tốt hơn (chiết suất thấp), độ đồng đều cao (> 93%) và tốc độ tạo màng nhanh (15 1 nm/ phút) Thí nghiệm số 4 và 5 thì cho giá trị chiết suất nhỏ hơn, tuy nhiên giá trị này giảm không đáng kể so với thí nghiệm số 3 trong khi độ đồng đều và tốc độ tạo màng giảm đi đáng kể Do đó, tỉ lệ N 2 O:SiH 4 bằng 10 (thí nghiệm số 3) đƣợc chọn để thực hiện các thí nghiệm tiếp theo
Bảng 5.2 tóm tắt các kết quả thu được từ các thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của áp suất buồng khi tỉ lệ khí N 2 O:SiH 4 bằng 10, lưu lượng 5%SiH 4 /N 2 là 1000 sccm, thời gian tạo màng là 7.5 phút
Bảng 5.2: Kết quả khảo sát ảnh hưởng của áp suất buồng đối với màng SiO 2
(mTorr) Độ dày trung bình
Tốc độ phủ (nm/ph)
Kết quả từ bảng 5.2 cho thấy khi tăng áp suất thì tốc độ tạo màng tăng lên do khi áp suất trong buồng tăng thì thời gian lưu tăng lên nên lượng chất tham gia tạo màng nhiều hơn dẫn đến tốc độ phủ màng lớn hơn Đồng thời, tăng áp suất buồng thì chiết suất màng SiO 2 giảm Khi áp suất lớn thì việc hình thành plasma khó khăn hơn do mật độ hạt trong pha khí lớn, với sự chiếm ƣu thế của tỉ lệ N 2 O so với SiH 4 nên các liên kết Si-O sẽ chiếm ưu thế tương ứng với sự giảm chiết suất Tuy nhiên, khi tăng áp suất buồng thì độ đồng đều giảm đáng kể Với mục tiêu quan trọng nhất của việc tạo màng bằng phương pháp PECVD là thu đƣợc màng có chất lƣợng tốt (độ đồng đều cao và chiết suất màng đạt yêu cầu), đây cũng chính là chỉ tiêu chính để đánh giá kết quả tạo màng Trong bảng kết quả trên thì mẫu số 7 cho thấy chất lƣợng màng SiO 2 tốt (chiết suất nhỏ) và độ đồng đều tốt nhất Do đó, áp suất tại 600 mTorr đƣợc chọn cho quy trình phủ mảng SiO2
Sau khi khảo sát bằng quy trình thực nghiệm Công thức đƣợc đề xuất cho quy trình tạo màng SiO 2 nhƣ sau:
Lưu lượng khí 5%SiH4/N 2 : 1000 sccm
Áp suất quá trình: 600 mTorr
Nhiệt độ đế: 250 o C b) Kết quả khảo sát màng Si 3 N 4 :
Bảng 5.3 tóm tắt các kết quả thu được từ các thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ khí phản ứng tại áp suất buồng 600 mTorr, lưu lượng 5%SiH 4 /N 2 là 800 sccm, thời gian tạo màng là 100 phút
Bảng 5.3: Kết quả khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ khí phản ứng đối với màng Si 3 N 4
(sccm) NH 3 :SiH 4 Áp suất
(mTorr) Độ dày trung bình
Tốc độ phủ (nm/ph)
Từ kết quả trên bảng 5.3 cho thấy khi tăng lưu lượng khí NH 3 thì tốc độ tạo màng tăng lên khi tỉ lệ NH 3 :SiH 4 đạt giá trị 1, sau đó thì tốc độ tạo màng giảm dần khi tiếp tục tăng lưu lượng khí NH 3 Nguyên nhân là do khi tăng dần tỉ lệ NH 3 :SiH 4 từ 0.5 đến 1 ứng với tốc độ dòng khí nhỏ, sự hình thành plasma dễ hơn nên nhiều gốc phản ứng khuếch tán xuống màng hơn, và thời gian lưu trên bề mặt lớn nên tốc độ hình thành màng lớn Khi tiếp tục tăng lưu lượng khí NH 3 , tốc độ dòng tăng lên làm cho thời gian lưu giảm, dẫn đến tốc độ hình thành màng giảm
Bảng 5.3 cũng cho biết khi tỉ lệ phản ứng NH 3 :SiH 4 tăng thì chiết suất màng Si 3 N 4 giảm do sự chiếm tỉ lệ lớn của gốc N so với các gốc SiH x tạo sự thuận lợi để xảy ra các liên kết Si-N Khi tỉ lệ khí thấp, chiết suất màng cao ứng với nồng độ Si trong màng cao hơn Từ bảng kết quả cho thấy mẫu thí nghiệm số 2 là mẫu cho kết quả màng Si 3 N 4 chất lƣợng tốt, độ đồng đều cao (> 96%) và tốc độ tạo màng nhanh (10.7 nm/ phút) Các thí nghiệm số 3, 4 và 5 thì cho giá trị chiết suất nhỏ hơn, tuy nhiên giá trị này giảm không đáng kể so với thí nghiệm số 2 trong khi độ đồng đều và tốc độ tạo màng giảm đi đáng kể Do đó tỉ lệ NH3:SiH 4 bằng 1 đƣợc chọn để thực hiện các thí nghiệm tiếp theo
Bảng 5.4 tóm tắt các kết quả thu được từ các thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của áp suất buồng khi tỉ lệ khí NH 3 :SiH 4 bằng 1, lưu lượng 5%SiH 4 /N 2 là 800 sccm, thời gian tạo màng là 100 phút
Bảng 5.4: Kết quả khảo sát ảnh hưởng của áp suất buồng đối với màng Si 3 N 4
(sccm) NH 3 :SiH 4 Áp suất
(mTorr) Độ dày trung bình (nm) Độ đồng đều (%)
Tốc độ phủ (nm/ph)
Kết quả từ bảng 5.4 cho thấy khi tăng áp suất thì tốc độ tạo màng tăng lên do khi áp suất trong buồng tăng thì thời gian lưu tăng lên nên lượng chất tham gia tạo màng nhiều hơn dẫn đến tốc độ phủ màng lớn hơn Đồng thời, tăng áp suất buồng thì chiết suất màng Si 3 N 4 giảm Khi áp suất lớn thì việc hình thành plasma khó khăn hơn do mật độ hạt trong pha khí lớn, với sự chiếm ƣu thế của tỉ lệ NH 3 so với SiH 4 nên các liên kết Si-N sẽ chiếm ưu thế tương ứng với sự giảm chiết suất Tuy nhiên, khi tăng áp suất buồng tới 900 mTorr thì độ đồng đều giảm xuống Trong bảng kết quả trên thì mẫu số 9 cho thấy chất lƣợng màng Si3N 4 tốt (chiết suất nhỏ và độ đồng đều cao) và tốc độ tạo màng nhanh Ở thí nghiệm số 10, tuy kết quả cho thấy tốc độ tạo màng và chiết suất tốt tương tự thí nghiệm số 9 nhƣng độ đồng đều của màng lại giảm đáng kể Do đó, áp suất tại 800 mTorr đƣợc chọn cho quy trình phủ mảng Si 3 N 4
Sau khi khảo sát bằng quy trình thực nghiệm Công thức đƣợc đề xuất cho quy trình tạo màng Si 3 N 4 nhƣ sau:
Lưu lượng khí 5%SiH 4 /N 2 : 800 sccm
Lưu lượng khí NH 3 : 40 sccm
Áp suất quá trình: 800 mTorr
5.2.2 Kiểm soát quá trình tạo màng kim loại a) Khảo sát ảnh hưởng của lưu lượng khí Ar phún xạ đến điện trở suất của các màng kim loại
Kết quả khảo sát ảnh hưởng của lưu lượng khí Ar đến điện trở suất của các màng kim loại đƣợc tóm tắt nhƣ trong bảng 5.5:
Bảng 5.5: Ảnh hưởng của lưu lượng khí Ar đến điện trở của các màng kim loại
Lưu lượng Ar (sccm) Điện trở suất của màng kim loại (Ω.cm)
Kết quả từ bảng 5.5 cho thấy độ dẫn điện của các màng Ti, Ni, Au chịu ảnh hưởng nhiều của lưu lượng khí Ar hơn, trong khi đó ảnh hưởng này không đáng kể gì đối với màng Al Các màng Al, Ni, Au thu được có điện trở suất tương đối nhỏ (dưới 3.2 Ω.cm) nên chất lƣợng màng đƣợc xem là tốt, trong khi màng Ti có điện trở suất của màng khá lớn (từ 4.41 Ω.cm đến 7.5 Ω.cm)
Lưu lượng khí phún xạ Ar là một thông số quan trọng ảnh hưởng đáng kể đến điện trở suất của màng Tuy nhiên sự thay đổi của điện trở suất theo lưu lượng Ar là không tuyến tính Để tối ưu tính chất điện của màng, cần đánh giá và lựa chọn lưu lượng khí Ar phù hợp nhất với từng loại màng Từ 4 giá trị lưu lượng Ar được khảo sát, ứng với từng
Nguyễn Quốc Tuấn Trang 92 kim loại ta sẽ chọn lưu lượng khí Ar tạo được màng có điện trở suất thấp nhất Trong bảng 5.6 là lưu lượng khí Ar tạo ra màng có độ dẫn điện tốt nhất được lựa chọn để sử dụng cho khảo sát tiếp theo
Bảng 5.6: Lưu lượng khí Ar cho tính chất điện tốt ứng với 4 kim loại
Màng Al Ni Ti Au
Lưu lượng khí Ar(sccm) 30 25 25 25 b) Ảnh hưởng của công suất phún xạ lên điện trở suất của màng
Bảng 5.7 tóm tắt điện trở suất của màng ứng với những công suất phún xạ khác nhau:
Bảng 5.7: Ảnh hưởng của công suất phún xạ đến điện trở của các màng kim loại
Công suất phún xạ (W) Điện trở suất của màng kim loại (Ω.cm)
Công suất phún xạ quyết định tốc độ phún xạ của màng Công suất càng lớn, tốc độ phủ màng càng nhanh Tuy nhiên, chúng ta cũng không thể sử dụng công suất quá lớn vì năng lượng hạt phún xạ có thể làm tăng cường tính chất điện của màng, nhưng cũng có thể làm giảm tính chất của nó nếu năng lƣợng này quá lớn Ngoài ra sự bắn phá các hạt mang năng lượng trong quá trình phún xạ cũng ảnh hưởng lớn đến tính chất điện Công suất càng lớn thì sự bắn phá ion càng lớn, làm giảm tính chất điện của màng
Từ các giá trị công suất đƣợc khảo sát ứng với từng loại màng (bảng 5.7) ta chọn ra công suất mà màng đƣợc tạo thành có tỉ số điện trở suất nhỏ nhất Đối với màng Al điện trở suất ở 100W và 150W gần bằng nhau và vỡ màng Al khỏ dày (1àm) nờn ta sẽ chọn công suất 150W để tăng tốc độ đồng thời giảm thời gian tạo màng Công suất tối ƣu đƣợc lựa chọn sử dụng cho khảo sát tiếp theo (Bảng 5.8)
Bảng 5.8: Công suất phún xạ cho tính chất điện tốt ứng với 4 kim loại
Màng Al Ni Ti Au
