NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG LINH KIỆN BÁN DẪN NiO Ga₂O₃BẰNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG SILVACO TCAD

- Xây dựng cấu trúc, chuẩn hóa và tối ưu các thông số của linh kiện khớp với dữ liệu thực nghiệm - Nghiên cứu các tính chất điện của linh kiện, sử dụng vật liệu NiO/Ga2O3.. So với các vậ

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

GVHD: TS ĐỖ HUY BÌNH SVTH: TRƯƠNG MINH ĐỨC

TP Hồ Chí Minh, tháng 9/2024

NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG LINH KIỆN BÁN DẪN

SILVACO TCAD

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG LINH KIỆN BÁN DẪN

NiO/Ga2O3 BẰNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG SILVACO TCAD

GVHD: TS ĐỖ HUY BÌNH SVTH: TRƯƠNG MINH ĐỨC MSSV: 20130021

KHÓA: 2020

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 9 năm 2024

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG LINH KIỆN BÁN DẪN

NiO/Ga2O3 BẰNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG SILVACO TCAD

GVHD: TS ĐỖ HUY BÌNH SVTH: TRƯƠNG MINH ĐỨC MSSV: 20130021

KHÓA: 2020

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 9 năm 2024

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do – Hạnh phúc

KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG

BM CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20

NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

Giảng viên hướng dẫn: TS Đỗ Huy Bình

Cơ quan công tác của giảng viên hướng dẫn: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật

Thành Phố Hồ Chí Minh

Sinh viên thực hiện: Trương Minh Đức MSSV: 20130021

1 Tên đề tài:

Nghiên cứu mô phỏng linh kiện bán dẫn NiO/Ga 2 O 3 bằng phần mềm mô phỏng Silvaco TCAD

2 Nội dung chính của khóa luận:

- Nghiên cứu mô phỏng linh kiện bán dẫn NiO/Ga2O3 bằng phần mềm mô phỏng Silvaco

TCAD Khảo sát các đường đặc tuyến của linh kiện và điện trường đánh thủng của linh kiện

- Xây dựng cấu trúc, chuẩn hóa và tối ưu các thông số của linh kiện khớp với dữ liệu thực nghiệm

- Nghiên cứu các tính chất điện của linh kiện, sử dụng vật liệu NiO/Ga2O3 Tìm hiểu ảnh

hưởng của các yếu tố như pha tạp, độ dày lớp NiO lên tính chất điện của linh kiện

3 Các sản phẩm dự kiến

Chương trình mô phỏng linh kiện NiO/Ga2O3

4 Ngày giao đồ án: 01/03/2024

5 Ngày nộp đồ án: 26/08/2024

6 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

(Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên)

i

LỜI CAM ĐOAN

Với sự hướng dẫn của Tiến sĩ Đỗ Huy Bình, tôi xin cam đoan kết quả nghiên cứu trong khóa luận này là trung thực, rõ ràng và chưa được ai công bố trong những báo cáo trước đây Nội dung lý thuyết trong khóa luận tôi có sử dụng một số tài liệu tham khảo như đã trình bày trong phần tài liệu tham khảo Nếu có bất kỳ sự sai phạm nào, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Kết quả chỉ sử dụng để hoàn thành khóa luận tốt nghiệp tại Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Chỉ TS Đỗ Huy Bình được quyền sử dụng các kết quả nghiên cứu này để thực hiện việc công bố khoa học

Tp Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 08 năm 2024

ii

LỜI CẢM ƠN

Khóa luận được hoàn thành tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh Trong quá trình làm khóa luận tốt nghiệp tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ để hoàn tất khóa luận

Trước tiên tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Tiến sĩ Đỗ Huy Bình đã tận tình hướng dẫn, truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm cho tôi trong suốt quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh Xin cảm ơn Cô Nguyễn Thụy Ngọc Thủy, trưởng bộ môn Công nghệ vật liệu, Thầy Huỳnh Hoàng Trung, phó trưởng bộ môn công nghệ vật liệu đã giúp tôi có được những kiến thức thực hành trong phòng thí nghiệm quý giá Cảm ơn Thầy Ngô Hải Đăng,

Cô Phan Thị Kim Hằng đã đặt những nền móng kiến thức đầu tiên cho tôi trong chuyên ngành vật liệu điện tử bán dẫn

Bên cạnh đó, tôi xin gửi lời cảm ơn đến những tác giả, đồng tác giả của những bài viết khoa học mà tôi đã tham khảo

Sau cùng xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè và các bạn sinh viên lớp 2013SEMI, 2013POLY đã luôn động viên, giúp đỡ tôi trong quá trình làm khóa luận Đặc biệt là anh Phan Văn Hoàng, bạn Trần Bảo Quân, và em Mai Uyên đã quan tâm, động viên giúp đỡ tôi hết mình trong những lúc khó khăn

Tôi rất mong nhận được đóng góp ý kiến của quý thầy cô và các bạn Tôi trân trọng cảm ơn và gửi những lời chúc tốt đẹp nhất đến cha mẹ, quý thầy cô và các bạn Một lần nữa, xin chân thành cảm ơn!

iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC BẢNG BIỂU vi

DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ BIỂU ĐỒ vii

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu 1

3 Đối tượng nghiên cứu 1

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Bố cục của khóa luận 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 3

1.1 Vật liệu bán dẫn có độ rộng vùng cấm lớn, Gallium Oxide và Nickel Oxide 3 1.1.1 Vật liệu bán dẫn có độ rộng vùng cấm lớn 3

1.1.2 Vật liệu Gallium Oxide 3

1.1.3 Vật liệu Nickel Oxide 7

1.2 Linh kiện bán dẫn dựa trên chuyển tiếp p-n 10

1.2.1 Diode chuyển tiếp p-n 10

1.2.2 Linh kiện MOSFET 13

1.3 Phương pháp phần tử hữu hạn 14

1.4 Chương tình mô phỏng TCAD 16

1.5 Các phương trình cơ bản trong vật lý bán dẫn 16

iv

CHƯƠNG 2 MÔ PHỎNG 20

2.1 Thiết bị sử dụng và chương trình mô phỏng 20

2.2 Chuẩn hóa cấu trúc mô phỏng với dữ liệu thực nghiệm 20

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 29

3.1 Kết quả chuẩn hóa cấu trúc mô phỏng với kết quả thực nghiệm 29

3.1.1 Kết quả chuẩn hóa cấu trúc NiO/Ga2O3 diode chuyển tiếp p - n 29

3.2 Khảo sát tính chất điện của linh kiện NiO/Ga 2 O 3 MOSFET 38

3.2.1 Khảo sát linh kiện recessed-gate NiO/Ga2O3 MOSFET 40

3.2.2 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ pha tạp lớp NiO lên linh kiện 43

3.2.3 Khảo sát độ dày của lớp channel 47

3.2.5 Khảo sát sự ảnh hưởng của Gate field plate 50

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 54

4.1 Kết luận chung 54

4.2 Kiến nghị hướng phát triển 54

TÀI LIỆU THAM KHẢO 55

v

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

TCAD Technology Computer Aided Design

MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field

Effect Transistor CPU Central Processing Unit

vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Giá trị vùng cấm β - Ga2O3 được xác định từ thực nghiệm 7

Bảng 1.2 Các thông số năng lượng vùng cấm của NiO 9

Bảng 2.1 Các thành phần Input của chương trình mô phỏng 20

Bảng 2.2 Các thông số vật liệu được sử dụng trong mô phỏng 25

vii

DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ BIỂU ĐỒ

Hình 1.1 Cấu trúc tinh thể của (a) cấu trúc thoi α- Ga2O3 (b) β- Ga2O3 đơn tà (c) Cấu trúc mạng

lưới Spinel khiếm khuyết khối Ga2O3 pha γ (d) Cấu trúc ε- Ga2O3 trực thoi 5

Hình 1.2 Ứng dụng của Gallium Oxide 6

Hình 1.3 Cấu trúc tinh thể của NiO 8

Hình 1 4 Lớp tiếp giáp chuyển tiếp p – n ở điều kiện cân bằng nhiệt 10

Hình 1.5 Cấu trúc vùng năng lượng chuyển tiếp p - n ở trạng thái cân bằng nhiệt 11

Hình 1.6 a) Sơ đồ khi linh kiện phân cực ngược và b) cấu trúc vùng năng lượng khi phân cực ngược 11 Hình 1.7 a) Sơ đồ khi linh kiện phân cực thuận và b) cấu trúc vùng năng lượng khi phân cực thuận 12

Hình 1 8 Mối quan hệ điện áp – dòng điện và đặc tính của lớp tiếp giáp p – n 13

Hình 1.9 Cấu trúc của MOSFET loại n - channel 13

Hình 1.10 Cơ sở lý thuyết của phương pháp phần tử hữu hạn 15

Hình 1.11 Các kiểu tái tổ hợp trong chất bán dẫn a) Tái hợp bức xạ 19

Hình 2 1 Cách thức các thành phần Input tương tác với chương trình mô phỏng 21

Hình 2 2 Cấu trúc NiO/Ga2O3 diode chuyển tiếp p – n có độ dày 1 μm 22

Hình 2.3 Cấu trúc lưới của linh kiện sau khi được chia lưới hoàn chỉnh 23

Hình 2.4 Kết quả mô phỏng miền của linh kiện diode 24

Hình 2.5 Kết quả mô phỏng nồng độ pha tạp của diode 25

Hình 2.6 Đặc tuyến J -V của chuyển tiếp dị thể NiO/Ga2O3 dạng linear (a) và dạng semi logarith (b) 27 Hình 3.1 Đường đặc tuyến J – V của linh kiện NiO/Ga2O3 diode chuyển tiếp p - n ở a) linear scale và b) logarith scale so sánh với kết quả thực nghiệm [29] 30

viii

Hình 3.2 Cấu trúc vùng năng lượng NiO/Ga2O3 diode chuyển tiếp p - n a) trước và b) sau khi

hình thành chuyển tiếp p - n mô phỏng bằng Silvaco TCAD 31

Hình 3.3 Phân bố điện trường của linh kiện NiO/Ga2O3 diode ở trạng thái cân bằng 32

Hình 3.4 Phân bố thế của linh kiện NiO/Ga2O3 diode ở trạng thái cân bằng 33

Hình 3.5 Phân bố nồng độ electron của linh kiện NiO/Ga2O3 diode ở trạng thái cân bằng 34

Hình 3.6 Phân bố điện trường của linh kiện NiO/Ga2O3 diode ở trạng thái áp thế 4 V 35

Hình 3.7 Phân bố thế của linh kiện NiO/Ga2O3 diode ở trạng thái áp thế 4 V 36

Hình 3.8 Phân bố nồng độ electron của linh kiện NiO/Ga2O3 diode ở trạng thái áp thế 4 V 37

Hình 3.9 Cấu trúc linh kiện NiO/Ga2O3 MOSFET ở (a) không có field plate và (b) có field plate 39

Hình 3.10 (a) Đường đặc tuyến ID - VG và (b) ID - VD của linh kiện NiO/Ga2O3 MOSFET với khoảng cách từ cực Gate đến Drain tăng dần từ 1 μm đến 8 μm 40

Hình 3.11 Phân bố điện trường của NiO/Ga2O3 MOSFET ở Vg = 0 V 41

Hình 3.12 Phân bố điện trường bên trong linh kiện NiO/Ga2O3 MOSFET 42

Hình 3.13 Phân bố electron bên trong linh kiện NiO/Ga2O3 MOSFET ở Vg = 0 V 42

Hình 3.14 Phân bố thế bên trong linh kiện kiện NiO/Ga2O3 MOSFET ở Vg = 0 V 42

Hình 3.15 Cấu trúc vùng năng lượng của chuyển tiếp p – n NiO/Ga2O3 khi nồng độ pha tạp của NiO thay đổi từ 1.0 × 1016 cm-3 đến 1 × 1020 cm-3 43

Hình 3.16 (a) Đường đặc tuyến ID - VG dạng linear và (b) log scale của linh kiện NiO/Ga2O3 với nồng độ pha tạp NiO tăng từ 1.0 × 1016 cm-3 đến 1 × 1020 cm-3 44

Hình 3.17 Sự thay đổi điện áp ngưỡng Vth của linh kiện NiO/Ga2O3 khi gia tăng nồng độ pha tạp .45 Hình 3.18 (a) Đường đặc tuyến ID - VD của linh kiện và (b) phân bố điện tích tại vùng nghèo .47

Hình 3.19 Vị trí thay đổi bề dày linh kiện 48

ix

Hình 3.20 (a) Cấu trúc vùng năng lượng của NiO/Ga2O3 MOSFET tại VG = 0 V (b) Nồng độ electron (Ne) từ Gate tới đế NiO khi tăng dần bề dày lớp channel 49

Hình 3.21 a) Đặc tuyến ID - VG của linh kiện NiO/Ga2O3 MOSFET với độ dày kênh dẫn tăng dần từ 40

nm đến 100 nm và b) Sự thay đổi của điện áp ngưỡng khi khi độ dày tăng từ 40 nm lên 100 nm 50

Hình 3.22 Phân bố thế của linh kiện ở trạng thái cân bằng (a) Linh kiện NiO/Ga2O3 MOSFET bình thường (b) Linh kiện NiO/Ga2O3 MOSFET có 3 µm field plate 50

Hình 3.23 So sánh phân bố điện trường của linh kiện khi không có và có 3 µm field plate ở điều

kiện áp thế VG = 4 V 51

Hình 3.24 (a) đường đặc tuyến ID - VG và (b) đặc tuyến ID - VD của linh kiện NiO/Ga2O3 MOSFET 52

Đề tài hướng đến mô phỏng linh kiện NiO/Ga2O3 bằng chương trình mô phỏng TCAD, nhằm khảo sát tính chất điện của linh kiện trước khi tiến hành chế tạo Mô phỏng linh kiện giúp giảm thiểu các hạn chế của quá trình thí nghiệm như tốn kém kinh tế, thời gian, ảnh hưởng sức khỏe do hóa chất Quá trình mô phòng cung cấp nhiều thông tin trong linh kiện như: phân bố điện trường, ảnh hưởng của khuyết tật bên trong linh kiện, qua đó có thể giúp dự đoán được các vị trí có thể hư hỏng, những tính chất mới của linh kiện Từ đó rút ngắn thời gian nghiên cứu và tiết kiệm chi phí cho quá trình phát triển linh kiện

2 Mục đích nghiên cứu

- Chuẩn hóa thông số mô phỏng NiO/Ga2O3 trùng khớp với dữ liệu thực nghiệm

- Mô phỏng thành công linh kiện NiO/Ga2O3 MOSFET bằng phần mềm mô phỏng Silvaco TCAD

- Khảo sát tính chất điện của linh kiện thông qua việc khảo sát ảnh hưởng của độ dày lớp Ga2O3, nồng độ pha tạp lớp NiO, field plate

3 Đối tượng nghiên cứu

Mô phỏng NiO/Ga2O3 diode chuyển tiếp p - n và ứng dụng trong linh kiện MOSFET

2

4 Phương pháp nghiên cứu

Khoá luận tốt nghiệp là đề tài thuộc lĩnh vực nghiên cứu cơ bản được thực hiện theo phương pháp kết hợp phân tích, tổng hợp tài liệu

5 Bố cục của khóa luận

Chương 1: Tổng quan về vật liệu NiO, Ga2O3

Chương 2: Mô phỏng

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Chương 4: Kết luận và kiến nghị

Bán dẫn có độ rộng vùng cấm lớn cho phép linh kiện có thể hoạt động ở nhiệt độ cao Chất bán dẫn được sử dụng nhiều nhất hiện nay là Silicon có độ rộng vùng cấm chỉ khoảng 1.1 eV Điều này làm cho các linh kiện làm từ Silicon dễ bị kích thích hoạt động bởi những yếu tố như nhiệt độ và năng lượng điện, dẫn đến khó khăn trong việc kiểm soát và điều khiển thiết bị điện So với Si, các vật liệu bán dẫn như 4H-SiC và GaN có năng lượng vùng cấm lớn hơn, vào khoảng 3 - 4 eV Những thiết bị sử dụng bán dẫn này

sẽ hoạt động tốt hơn ở nhiệt độ cao thông thường là trên 300 °C

Vì những lý do trên, yêu cầu đối với linh kiện bán dẫn công suất đang ngày càng cao và mang nhiều ý nghĩa quan trọng hơn Nhiều loại vật liệu đang dần trở nên phổ biến hiện nay chẳng hạn như Silicon Carbide (SiC) và Gallium Nitride (GaN) Ưu điểm của các vật liệu này là hiệu suất tốt trong các thiết bị hoạt động ở hiệu điện thế cao, đặc biệt

là điện trường đánh thủng đạt giá trị lớn So với các vật liệu bán dẫn truyền thống có hiệu điện thế chịu được thấp, các vật liệu có độ rộng vùng cấm lớn này chịu được tải lớn hơn và ít bị phá vỡ hơn nếu có cùng cấu trúc và kích thước

1.1.2 Vật liệu Gallium Oxide

Gallium Oxide là một oxide bán dẫn trong suốt, được xếp vào loại bán dẫn có năng lượng vùng cấm cực rộng (4.2 – 4.9 eV) (UWBG), lớn hơn rất nhiều so với Silic

4

(1.1 eV) Độ chịu nhiệt cao và có khả năng mọc trên nhiều loại đế phù hợp cho việc sản xuất hàng loạt Bất chấp những tiến bộ to lớn đạt được trong phát triển vật liệu và các thiết bị dựa trên chất bán dẫn dải rộng (WBG) được đại diện bởi SiC và GaN Ga2O3đang trở thành một ứng cử viên cạnh tranh vì những ứng dụng độc đáo của nó như các thiết bị điện tử công suất cao và năng lượng mặt trời, bộ tách sóng quang tia cực tím (UV) Đặc điểm nổi bật nhất của Ga2O3 là vùng cấm cực lớn, cho phép tạo ra tiềm năng lớn cho cường độ trường đánh thủng điện cao

Ga2O3 có năm dạng thù hình bao gồm α, β, γ, δ và ε [1]

Pha α - Ga2O3 thuộc nhóm không gian R3̅c (#167) và có cấu trúc mạng hình thoi thuộc

hệ tinh thể lượng giác giống với corundum, cấu trúc bậc một của pha ổn định của Al2O3 [2]

Pha γ hiếm khi được nghiên cứu và có rất ít thông tin về dạng thù hình Pha c hiếm khi được nghiên cứu và có rất ít thông tin về dạng đa hình Zinkevich và Aldinger [3] báo cáo một cấu trúc đối xứng lập phương tâm mặt thuộc về nhóm không gian Fd3̅𝑚 (#227) Các nguồn khác cho biết pha γ là một cấu trúc Spinel khiếm khuyết hình khối [4] Dạng thù hình này đã được chứng minh là phát triển trên các cấu trúc Spinel lập phương

Pha δ cũng là một cấu trúc lập phương thuộc nhóm không gian Ia3̅ (#206) cấu trúc lập phương tâm mặt Cấu trúc này được coi là đất hiếm loại C Hằng số mạng được

dự đoán là 9.52 Å và được báo cáo a = 10.0 Å [5]

ε- Ga2O3 là dạng thù hình Ga2O3 khó nắm bắt nhất ε - Ga2O3 lần đầu tiên được nghiên cứu thông qua việc đun nóng δ- Ga2O3 trên 500 oC [5] và họ xếp nó vào nhóm không gian lục giác ε- Ga2O3 hiện được chấp nhận với cấu trúc trực thoi Những khó khăn trong việc nuôi cấy tinh thể tinh khiết cũng như tính chất mất trật tự của các nguyên

tử Ga ở pha ε dẫn đến khó khăn trong việc xác định cấu trúc và tính chất của ε- Ga2O3

Ga2O3 pha beta (β - Ga2O3) đã thu hút sự chú ý lớn như một vật liệu đầy hứa hẹn cho các ứng dụng điện tử công suất vì các đặc tính vật lý tuyệt vời của nó chẳng hạn như dải năng lượng rộng 4.6 – 4.9 eV, điện trường đánh thủng tới hạn ước tính cao là 8 MV/cm, độ linh động điện tử khá 250 cm2/Vs với tốc độ bão hòa điện tử cao 2 ×107 cm/s

5

[6] Hơn nữa việc tổng hợp β - Ga2O3 đơn tinh thể đã được thực hiện thành công bằng phương pháp edge-defined film-fed growth (EFG) [7] Hiện tại β - Ga2O3 cũng có thể pha tạp có kiểm soát loại n với các chất cho như Si, Ge, Sn Tuy nhiên do thách thức trong việc thu được Ga2O3 loại p, hầu hết sự chú ý nghiên cứu đều tập trung vào việc tích hợp Ga2O3 loại n với NiO loại p cho diode công suất dị thể p–n dọc Những diode này thường cho thấy dòng rò nhỏ hơn so với diode phẳng thông thường và cũng có điện

Ái lực điện tử được báo cáo được xác định bằng thực nghiệm bằng phương pháp quang phổ quang phát xạ ở nhiệt độ phòng dọc theo bề mặt (100) là 4.00 + 0.05 eV [10] Điện trường đánh thủng là một trong những thông số vật liệu vượt trội giúp Ga2O3 được dùng cho các ứng dụng công suất cao và điện áp cao Cường độ đánh thủng theo lý thuyết

là 8 MV/cm xuất phát từ độ rộng vùng cấm cực lớn của vật liệu [11], [12] Các mẫu ALD β - Ga2O3 lắng đọng trên Si có dòng rò rất thấp 1 × 10-11 A ở mức 1 MV/cm Đáng chú ý là giá trị đánh thủng rất cao được tìm thấy khi sử dụng các mẫu có độ rộng vùng cấm quan sát được là 5.4 eV ở 250 oC được xác định bằng phép đo elip quang phổ [13]

6

Hình 1.2 Ứng dụng của Gallium Oxide [14]

Một số ứng dụng chính của Ga2O3 bao gồm: Thiết bị điện tử công suất bởi Ga2O3

có năng lượng vùng cấm cực rộng (~4.9 eV), độ bền điện cao và độ linh động của điện

tử tốt khiến Ga2O3 trở nên phù hợp lý tưởng cho các ứng dụng điện tử công suất như diode chỉnh lưu điện áp cao, transistor bán dẫn hiệu ứng trường (MOSFET) và các thiết

bị chuyển mạch khác Nhờ năng lượng vùng cấm lớn cho phép Ga2O3 có thể hấp thụ ánh sáng UV nên chúng còn được ứng dụng trong ngành năng lượng mặt trời pin mặt trời và cảm biến quang điện tử tử ngoại

7

Bảng 1.1 Giá trị vùng cấm β - Ga2O3 được xác định từ thực nghiệm

1.1.3 Vật liệu Nickel Oxide

Niken oxit (NiO) là vật liệu bán dẫn loại p nội tại, có vùng cấm thẳng rộng khoảng

từ 3.6 đến 4 eV, có khả năng truyền qua và dẫn điện tốt trong vùng ánh sáng khả kiến

Vì thế nó được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực quang điện tử [21],chất phản sắt từ [22], màng dẫn trong suốt loại p,[21] và cảm biến sinh học[23] NiO cũng đã được ứng dụng trong các thiết bị điện, được sử dụng cùng với các vật liệu như GaN [24],[25]

Nickel Oxide có cấu trúc đơn tinh thể lập phương tâm mặt với các hằng số mạng khoảng 4.17 Å [27] Cấu trúc vùng điện tử NiO chứa các vùng s và p rộng được tách ra

do năng lượng tĩnh điện Năng lượng này gây ra sự ổn định của các vùng O (2p) được lấp đầy liên quan đến các vùng Ni (4s) trống Sự phân tách vùng trong cấu trúc điện tử vẫn khá lớn mặc dù có các liên kết cộng hóa trị giữa niken và oxy góp phần làm giảm điện tích hiệu dụng của ion Sự trộn cộng hóa trị cũng mang lại tính chất anion cho các vùng Ni (4s) và tính chất cation cho các vùng O (2p)

Cấu trúc tinh thể của NiO được thể hiện trong Hình 1.3

8

Hình 1.3 Cấu trúc tinh thể của NiO [28]

Vật liệu NiO đang được nghiên cứu rộng rãi do những ưu điểm vượt trội của nó trong lĩnh vực điện tử công suất, đặc biệt là khi kết hợp với β- Ga2O3

Theo như lý thuyết trước đây, khi một vật liệu có từ tính đạt tới ngưỡng nhiệt độ Neel thì có thể xảy ra chuyển đổi từ vật liệu thuận từ sang phản sắt từ Nhưng riêng đối với vật liệu NiO, khi tăng nhiệt độ lên nhiệt độ Neel (476 ºK) lại xuất hiện sự chuyển đổi

từ vật liệu phản sắt từ sang thuận từ, lý do xuất hiện sự thay đổi tính chất này được cho

là do sự giảm bán kính hiệu dụng của ion niken hoặc sự tương tác của spin electron Vật liệu NiO còn có các đặc tính nổi bật như khả năng truyền qua, điểm nóng chảy lớn từ 1949 đến năm 1983 ºC, mô đun số lượng lớn từ 103 – 200 GPa

Theo các nghiên cứu, vật liệu NiO được biết đến là vật liệu bán dẫn loại p nội tại,

có khả năng chuyển đổi quang học gián tiếp từ vùng hóa trị sang vùng dẫn Bên cạnh đó, NiO còn có vùng cấm khá lớn Eg trong khoảng từ 3.6 đến 4 eV tùy thuộc vào pha kết tinh và kích thước của vật liệu [21] Là một trong số rất ít oxit bán dẫn loại p, NiO có độ trong suốt quang phổ khả kiến cao và độ dẫn điện loại p bắt nguồn từ các vị trí trống

9

niken hoặc tạp chất hóa trị I [29] NiO được sử dụng làm lớp hoạt động loại p trong dị thể nối p - n, transistor hiệu ứng trường, lớp vận chuyển lỗ trong pin mặt trời và điện cực cho tách nước[30] Khi được tích hợp với β- Ga2O3, NiO tạo thành một chuyển tiếp p –

n dị thể, được quan tâm cho các ứng dụng như transistor cảm biến quang tia cực tím sâu

và diode phát quang[30] Các ứng dụng điện tử công suất thường sử dụng phương pháp tổng hợp NiO bằng phún xạ RF Ngoài phún xạ RF, các nguồn còn đề cập đến các kỹ thuật lắng đọng khác cho NiO chẳng hạn như lắng đọng chùm tia điện tử được hỗ trợ ion

và lắng đọng laser xung (PLD) Các thông số về năng lượng vùng cấm của vật liệu NiO được thể hiện ở bảng 1.2

Bảng 1.2 Các thông số năng lượng vùng cấm của NiO xác định được từ lý thuyết

10

1.2 Linh kiện bán dẫn dựa trên chuyển tiếp p-n

1.2.1 Diode chuyển tiếp p-n

Chuyển tiếp p – n là tiếp giáp giữa hai chất bán dẫn loại n và loại p được sử dụng

để làm tiếp giáp chỉnh lưu dòng điện Ban đầu khi cho hai chất bán dẫn này liên kết với nhau, các điện tử sẽ nhảy từ chất bán dẫn loại n sang chất bán dẫn loại p và các lỗ trống

sẽ nhảy từ chất bán dẫn loại p sang chất bán dẫn loại n Thế năng hóa học của hai chất bán dẫn sẽ tiến đến cân bằng và cấu trúc vùng năng lượng của chúng sẽ bị biến dạng tương ứng Sau đó một vùng nghèo điện tử (depletion region) được hình thành tại mặt phân cách giữa hai chất bán dẫn, số lượng điện tử ở vùng dẫn và lỗ trống ở vùng hóa trị đều suy giảm trong vùng nghèo này Vùng nghèo điện tử này còn được gọi là rào thế, là nơi khuếch tán điện tử và lỗ trống qua lại

Nếu chuyển tiếp p – n được hình thành dựa trên hai loại pha tạp khác nhau trên cùng một nền vật liệu thì chúng được gọi là chuyển tiếp đồng thể, ngược lại nếu chuyển tiếp được

hình thành dựa vào hai loại vật liệu khác nhau chúng được gọi là chuyển tiếp dị thể

Ở trạng thái cân bằng tổng điện tích ở hai bên điểm tiếp giáp bằng 0 Bất kỳ sự mất cân bằng nào về điện tích ở hai bên điểm tiếp nối sẽ có nghĩa là hệ không ở trạng thái cân

bằng và cấu trúc vùng năng lượng sẽ bị biến dạng cho đến khi hệ quay trở lại bình thường

Hình 1 4 Lớp tiếp giáp chuyển tiếp p – n ở điều kiện cân bằng nhiệt [39]

11

Hình 1.5 Cấu trúc vùng năng lượng chuyển tiếp p - n ở trạng thái cân bằng nhiệt[39]

Khi nối với một nguồn điện một chiều cực dương nối với chất bán dẫn loại n và cực âm nối với chất bán dẫn loại p, cấu trúc vùng năng lượng sẽ biến dạng hơn nữa tại

bề mặt phân cách, tạo ra vùng nghèo điện tử lớn hơn Trường hợp này được gọi là phân cực ngược và không có dòng điện chạy qua linh kiện

Hình 1.6 a) Sơ đồ khi linh kiện phân cực ngược và b) cấu trúc vùng năng lượng

khi phân cực ngược [39]

12

Ngược lại nếu nối cực âm vào chất bán dẫn loại n và cực dương vào chất bán dẫn loại p vào nguồn điện một chiều thì vùng nghèo điện tử trở nên hẹp hơn Trường hợp này được gọi là phân cực thuận và có dòng điện chạy qua linh kiện

Hình 1.7 a) Sơ đồ khi linh kiện phân cực thuận và b) cấu trúc vùng năng lượng

khi phân cực thuận [39]

Đối với tiếp giáp p – n, sự gia tăng cường độ phân cực ngược cuối cùng sẽ dẫn đến sự tăng dòng điện chạy qua Điều này xảy ra khi có một điện trường đủ lớn, quá trình bị đánh thủng xảy ra Độ lệch tại đó xảy ra được gọi là điện áp đánh thủng Đường đặc tuyến dòng điện – điện áp thể hiện đặc tính của tiếp giáp p – n

(a)

(b)

có thể được chế tạo sao cho dòng điện từ cổng tới cực máng được truyền bởi các electron (NMOS) hoặc bởi các lỗ trống (PMOS)

Hình 1.9 Cấu trúc của MOSFET loại n - channel [39]

G (Gate): cực cổng G là cực điều khiển được cách ly hoàn toàn với cấu trúc bán dẫn còn lại bởi lớp điện môi cực mỏng nhưng có độ cách điện lớn, thường là SiO2.

14

S (Source): cực nguồn

D (Drain): cực máng đón các hạt mang điện

Mosfet có điện trở giữa cực G với cực S và giữa cực G với cực D là vô cùng lớn, còn điện trở giữa cực D và cực S phụ thuộc vào điện áp chênh lệch giữa cực G và cực S

Mosfet có hai chế độ hoạt động bao gồm chế độ tăng cường (Enhance mode) và chế độ cạn kiệt (Depletion mode)

Ở chế độ tăng cường, khi không áp điện lên cực cổng thì thiết bị sẽ không dẫn điện Khi có điện áp trên cực cổng thì mosfet sẽ bắt đầu dẫn điện

Đối với Mosfet chế độ cạn kiệt, khi không có điện áp trên cực cổng, kênh sẽ có

độ dẫn tối đa Khi điện áp trên cực cổng là dương hoặc âm thì độ dẫn của kênh sẽ giảm

Hiện nay các loại mosfet thông dụng bao gồm 2 loại:

N-MOSFET: chỉ hoạt động khi nguồn điện Gate bằng 0, các electron bên trong vẫn tiến hành hoạt động cho đến khi bị ảnh hưởng bởi nguồn điện Input

P-MOSFET: các electron sẽ bị cut-off cho đến khi gia tăng nguồn điện thế vào ngõ Gate Tạp chất được sử dụng làm kênh dẫn chỉ được pha tạp rất nhẹ nên nó có điện trở rất cao và dòng điện không thể truyền qua giữa nguồn và máng nếu có điện áp bằng 0 trên cổng Áp một điện thế dương tương đối nhỏ vào điện cực cổng sẽ tạo ra một điện trường mạnh trên vật liệu kênh dẫn, Vì điện cực cổng được tích điện dương nên nó sẽ đẩy các lỗ trống ở vùng loại p Đối với điện trường đủ cao, sự biến dạng gây ra của các vùng năng lượng sẽ làm cho các vùng thuộc vùng loại p cong lên đến mức các electron

sẽ bắt đầu tập trung vào vùng dẫn

So với phương pháp sai phân hữu hạn cổ điển, phương pháp phần tử hữu hạn giải một bài toán phương trình vi phân có vô số bậc tự do thành một bài toán rời rạc có nhiều bậc tự do và có thể giải được bằng máy tính Ưu điểm của phương pháp phần tử hữu hạn so với phương pháp cổ điển là điều kiện biên chung và các thuộc tính vật liệu biến đổi có thể

xử lý tương đối dễ dàng Ngoài ra, cấu trúc rõ ràng là tính linh hoạt của phương pháp phần

tử hữu hạn làm cho nó có thể phát triển các mục đích chung của phần mềm mà nó ứng dụng

Phương pháp phần tử hữu hạn hữu hiệu từ việc phân tích trạng thái ứng suất, biến dạng trong các kết cấu cơ khí, các chi tiết trong ô tô, máy bay… đến những bài toán của

lý thuyết trường như: lý thuyết đàn hồi, khí đàn hồi, điện từ trường…

Với sự trợ giúp của ngành Công nghệ thông tin và hệ thống CAD, nhiều mô hình, kết cấu phức tạp cũng đã được tính toán và thiết kế chi tiết một cách dễ dàng Các phần mềm thương mại sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn bao gồm ANSY, Silvaco TCAD…

Các phần mềm phần tử hữu hạn trên thị trường hiện nay tuy khác nhau về cách

sử dụng cũng như giao diện, nhưng về cơ bản vẫn có 3 phần chính: Tạo mô hình tính (pre-processing), tính toán (processing) và xử lý kết quả (post-processing)

Hình 1.10 Cơ sở lý thuyết của phương pháp phần tử hữu hạn

16

1.4 Chương tình mô phỏng TCAD

Technology Computer Aided Design (TCAD), là một nhánh của tự động hóa thiết

kế điện tử mô hình hóa quá trình chế tạo bán dẫn và hoạt động của thiết bị bán dẫn Mô hình hóa chế tạo được gọi là Process TCAD, trong khi mô hình hóa hoạt động của thiết

bị được gọi là Device TCAD

Process TCAD (mô phỏng quy trình) liên quan đến việc mô hình hóa các bước chế tạo của các thiết bị bán dẫn như bóng bán dẫn và tập trung vào đầu cuối của các bước sản xuất dây chuyền Các bước back-end-of-line được xử lý bằng các công cụ như Sentaurus Interconnect

Device TCAD mô phỏng các đặc tính điện của thiết bị bán dẫn, như một phản ứng với các điều kiện biên điện, nhiệt hoặc quang học bên ngoài áp đặt lên cấu trúc Các phương pháp phần tử hữu hạn đã được phát triển để giải phương trình Poisson, cùng với các phương trình liên tục của điện tử, lỗ trống, trong chất rắn bán dẫn 1 đến 3D Cuối cùng, kết quả của mô phỏng TCAD được sử dụng để tạo ra một bức tranh đơn giản về các thiết bị, được sử dụng bởi các trình mô phỏng mạch mô hình nhỏ gọn để kết nối các thiết bị phần tử gộp lại với nhau trong một mạng lớn

1.5 Các phương trình cơ bản trong vật lý bán dẫn

𝐽𝑛và 𝐽𝑝 lần lượt là mật độ dòng của electron và lỗ trống

𝐺𝑛 và 𝐺𝑝 lần lượt là tốc độ tạo ra các electron và lỗ trống

𝑅𝑛 và 𝑅𝑝 là tốc độ tái hợp của các electron và lỗ trống

q là điện tích nguyên tố

c) Các phương trình vận chuyển hạt tải

Các mô hình vận chuyển điện tích hoặc phương trình mật độ dòng điện thường thu được bằng cách áp dụng các phép tính gần đúng và đơn giản hóa cho phương trình vận chuyển Boltzmann (Boltzmann Transport Equation) Những giả định này có thể dẫn đến một số mô hình vận chuyển khác nhau như mô hình khuếch tán – trôi dạt hoặc mô hình vận chuyển cân bằng năng lượng Việc lựa chọn mô hình vận chuyển điện tích sẽ có ảnh hưởng lớn đến việc lựa chọn mô hình tạo ra và tái hợp của hạt tải

Mô hình khuếch tán – trôi dạt có đặc điểm là nó không đưa vào bất kỳ biến độc lập nào ngoài Ѱ, n và p Đến thời điểm hiện tại, mô hình khuếch tán – trôi dạt phù hợp với gần như tất cả các linh kiện công nghệ Tuy nhiên, các phép gần đúng cho mô hình trôi – khuếch tán trở nên kém chính xác hơn đối với các kích thước nhỏ hơn Do đó các mô hình cân bằng năng lượng đang trở nên phổ biến để mô phỏng linh kiện

Dựa trên lý thuyết vận chuyển Boltzmann đã chỉ ra rằng mật độ dòng trong các phương trình liên tục có thể được tính gần đúng bằng mô hình trôi – khuếch tán Trong trường hợp này, mật độ dòng trôi được biểu diễn theo mức giả Fermi ϕn và ϕp:

𝐽𝑛

𝐽𝑝

d) Các cơ chế tái tổ hợp trong chất bán dẫn

Có nhiều loại cơ chế tái hợp khác nhau trong chuyển tiếp p – n Tùy theo ứng dụng của chất bán dẫn và các điều kiện hiện hình thành, một trong các cơ chế tái hợp sẽ hoạt động và hiệu quả hơn các loại khác Sự tái hợp trong chất bán dẫn có thể được phân thành hai nhóm: tái hợp bức xạ và không bức xạ

Tái hợp bức xạ xảy ra khi một electron từ vùng dẫn tái hợp với một lỗ trống trong vùng hóa trị Kết quả của sự tái hợp electron - lỗ trống là một photon được phát ra Tái hợp bức xạ là sự chuyển đổi bức xạ của electron từ vùng dẫn sang vùng hóa trị, bao gồm các quá trình quang học: phát xạ tự phát, hấp thụ hoặc tăng và phát xạ kích thích Kiểu tái hợp này nổi bật ở các laser bán dẫn có dải cấm trực tiếp

Tái hợp không bức xạ được chia ra thành ba kiểu tái hợp bao gồm:

Tái hợp Auger: Trong tái hợp Auger, năng lượng được giải phóng trong quá trình

tái hợp electron - lỗ trống được truyền để kích thích một electron khác trong cùng dải lên mức năng lượng cao hơn Electron bị kích thích đạt được trạng thái cân bằng nhiệt bằng cách tiêu tán năng lượng thành các dao động mạng hoặc phonon Tái hợp Auger là tái hợp không bức xạ chiếm ưu thế trong laser bán dẫn bước sóng dài Khi mật độ pha tạp của chất bán dẫn tăng lên thì thời gian tái hợp của Auger giảm đi

Tái hợp thông qua khuyết tật: Tái hợp thông qua khuyết tật là một quá trình gồm

hai bước trong đó các electron tái hợp với lỗ trống thông qua các mức năng lượng khuyết tật trong vùng cấm Các khuyết tật được đưa vào mạng tinh thể một cách cố ý hoặc vô

19

ý Các khuyết tật trong mạng tinh thể bán dẫn tạo ra vùng cấm và một electron bị giữ lại bởi trạng thái năng lượng trong vùng đó Nếu một lỗ trống thu được trạng thái năng lượng tương tự trước khi electron được phát lại vào vùng dẫn thì sự tái hợp electron - lỗ trống sẽ diễn ra Kiểu tái hợp này còn được gọi là tái hợp Shockley-Read-Hall (SRH)

Tái hợp bề mặt: Sự nhiễu loạn mạnh của mạng tinh thể có thể được gọi là bề mặt

Các bề mặt trong mạng tinh thể bán dẫn tạo ra các liên kết lơ lửng tiếp xúc với môi trường xung quanh Các bề mặt tiếp xúc như vậy hấp thụ tạp chất từ môi trường xung quanh và trở thành trung tâm khuyết tật cục bộ Mật độ khuyết tật cao trên bề mặt làm tăng khả năng tái hợp không bức xạ Các mặt cắt trong laser phun được giới thiệu để tăng cường tái hợp trong chất bán dẫn thông qua tái hợp bề mặt

Hình 1.11Các kiểu tái tổ hợp trong chất bán dẫn a) Tái hợp bức xạ

b) Tái hợp Auger c) Tái hợp khuyết tật (SRH) d) Tái hợp bề mặt [40]

20

CHƯƠNG 2 MÔ PHỎNG

2.1 Thiết bị sử dụng và chương trình mô phỏng

Thiết bị được tác giả sử dụng trong nghiên cứu này là máy tính chạy hệ điều hành Windows Chương trình mô phỏng Silvaco TCAD phiên bản 2019

Phần mềm xử lý số liệu và vẽ đồ thị Origin Pro 2018

2.2 Chuẩn hóa cấu trúc mô phỏng với dữ liệu 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

Bảng 2 1 Các thành phần Input của chương trình mô phỏng

Xây dựng cấu trúc linh kiện

Mesh Region Electrode Doping

Thiết lập các thông số vật liệu sử dụng và mô hình vật

lý được áp dụng

Material Models Contact Interface Lựa chọn phương pháp số để giải các bài toán trong

mô phỏng

Method

Thực hiện giải các bài toán

Log Solve Load Save

21

Hình 2.1 Cách thức các thành phần Input tương tác với chương trình mô phỏng

Các loại thông tin đầu vào và đầu ra của Atlas được thể hiện ở hình 2.1 Các mô phỏng với Atlas sử dụng hai tệp đầu vào Tệp đầu vào đầu tiên là một tệp văn bản chứa các lệnh để Atlas thực thi Tệp đầu vào thứ hai là tệp cấu trúc để xác định cấu trúc linh kiện sẽ được mô phỏng Atlas tạo ra bốn loại tệp đầu ra Đầu tiên là thời gian chạy (Runtime Output), cung cấp cho thông tin tiến trình chạy cũng như các thông báo lỗi và cảnh báo trong khi quá trình mô phỏng diễn ra Thứ hai là nhật ký (Log File), lưu trữ điện

áp và dòng điện từ quá trình phân tích thiết bị Ba là kết quả (Solution File) và cuối cùng tệp cấu trúc (Structure File)

Thứ tự các câu lệnh được gọi trong Atlas rất quan trọng Với năm nhóm lệnh trong bảng 2.1 cần được gọi đúng theo thứ tự từ chia lưới → chia vùng vật liệu → chỉ định điện cực → doping → thiết lập thông số vật liệu → chỉ định phương pháp giải →thực hiện phân tích các bài toán → Phân tích kết quả Trong một số trường hợp cần có những

mô hình cụ thể cho điện cực, có thể cân nhắc đưa các câu lệnh về Contact và Interface

lên đầu tiên, ngay phía dưới câu nhóm lệnh chỉ định điện cực cho vật liệu để chương trình trả về kết quả chính xác nhất