基于动态反向偏压仿真框架的金刚石沟槽金属氧化物半导体势垒肖特基整流器建模

《physica status solidi (a)– applications and materials science》：Modeling of Diamond Trench Metal Oxide Semiconductor Barrier Schottky Rectifier Based on Dynamic Reverse Bias Simulation Framework

　　

本工作利用混合模式漂移-扩散技术计算机辅助设计（TCAD）仿真，在准静态和动态反向偏压条件下，对基于金刚石的沟槽金属氧化物半导体（MOS）势垒肖特基（TMBS）整流器进行了电热优化研究。通过电场和电荷共享分析，系统研究了漂移层厚度、掺杂浓度、氧化层厚度和沟槽深度的影响。在准静态工作条件下，击穿电压（BV）受肖特基接触下方或沟槽底部的电场限制，当这两个峰值电场平衡时获得最优BV。考虑不完全电离的动态仿真揭示了超快电压斜坡下瞬态电场分布的显著改变。雪崩起始被延迟，导致相较于准静态条件BV显著增强，尤其对于浅沟槽和非穿通结构。相比之下，由于金刚石的高热导率，自热效应仍然可忽略不计。结果表明，最优TMBS设计强烈依赖于工作状态，强调了动态电热建模对于高压高频金刚石功率器件的重要性。

论文解读：金刚石TMBS整流器的动态电热优化研究

金刚石因其超宽禁带、高临界电场和优异热导率，在功率电子领域具有巨大潜力。然而，目前金刚石肖特基势垒二极管（SBD）的电压等级受限于制造和材料约束。尽管结势垒肖特基（JBS）整流器通过集成n型区形成pn结屏蔽界面可增强阻断能力，但金刚石中可靠的n型掺杂难以实现，且JBS结构导通电阻较高。为克服这些限制，研究人员将场屏蔽概念扩展为金属氧化物半导体（MOS）沟槽，形成沟槽MOS势垒肖特基（TMBS）整流器，并已在金刚石中实现。然而，以往优化研究忽略了金刚石最独特的性质之一——不完全电离。在动态开关瞬态中，深能级掺杂剂的有限电离响应时间会重构空间电荷和内部电场，从而改变器件的阻断特性。目前尚无研究系统探讨动态开关条件下TMBS电荷共享机制和最优沟槽几何的演变。为此，研究人员利用技术计算机辅助设计（TCAD）仿真，对金刚石基TMBS整流器进行了准静态和动态反向偏压下的电热优化研究。

该研究采用分级仿真方法。首先，通过准静态等温漂移-扩散仿真确定最优器件几何，并建立基本设计权衡。然后，利用瞬态混合模式仿真研究动态反向偏压对最优设计的影响。最后，通过自洽求解电输运和晶格热流方程，进行完全耦合电热漂移扩散仿真，使局部温度反馈至温度相关材料模型。研究系统考察了漂移层厚度、掺杂浓度、氧化层厚度和沟槽深度的影响。结果表明，准静态条件下击穿电压（BV）受肖特基接触下方或沟槽底部电场限制，当两峰值电场近似相等时获得最优BV。动态仿真揭示，超快电压斜坡会延迟雪崩起始，重塑内部电势分布，导致BV显著增强，尤其对浅沟槽和非穿通（NPT）结构。自热效应因金刚石高热导率而可忽略。该工作突出了动态电热建模对高压高频金刚石功率器件设计的重要性。论文发表于《physica status solidi (a)– applications and materials science》。

关键技术方法主要包括：使用Synopsys Sentaurus进行TCAD仿真；采用Hiraiwa等报道的碰撞电离系数，并考虑其温度依赖性；采用Sentaurus非局域隧穿模型模拟本征隧穿电流；采用广义Shockley–Read–Hall（SRH）形式描述不完全电离动力学；通过求解泊松方程、载流子连续性方程和晶格热流方程实现电热耦合。参数扫描覆盖漂移层厚度、掺杂浓度、氧化层厚度和沟槽深度。研究为纯仿真，无实验样本队列。

以下按原文小标题介绍研究结果。

2 准静态参数设计优化（Quasi-Static Parametric Design Optimization）

通过分析电场分布和电荷共享效应，研究人员发现TMBS器件中，漂移层厚度和掺杂浓度决定基本阻断能力，而氧化层厚度和沟槽深度调节电荷共享程度。对于薄氧化层，肖特基接触下方电场降低，但峰电场转移到氧化层中，可能限制BV。较厚氧化层虽抑制氧化层电场，但削弱电荷共享。最优BV出现在SBD和TMOS诱导的峰值电场在金刚石内平衡时。沟槽深度增加可降低肖特基接触下方电场并将峰值移至沟槽底部，但超过最优后，沟槽底部峰值限制BV。在穿通（PT）模式下，该行为对所有掺杂水平成立。增大漂移层厚度可提高BV，但一旦不再穿通，BV主要受掺杂浓度控制，且对沟槽深度存在饱和区域，提供更大容差。掺杂浓度降低可提高BV，浅沟槽设计对高掺杂更敏感，深沟槽则使电场分布对掺杂依赖性减弱。

3 电热精化（Electro-Thermal Refinement）

在动态分析中，首先固定结温为室温，仅考虑时间相关不完全电离。慢斜率（<10⁶ V/s）行为与准静态类似。当斜率升至10⁹ V/s及以上，雪崩击穿被显著延迟或完全抑制。快速瞬态下，电场分布显示有效掺杂浓度降低，因为硼受主电离延迟阻碍空间电荷达到全电离平衡。电热仿真中，在器件底部加入300 μm绝缘衬底和热阻为0.3 K/W的热接触，但自热温升小于0.5 K，对BV影响可忽略。温度升高通过增强载流子发射率缩短电离时间常数，并因碰撞电离系数的正温度系数而提升BV。快速反向偏压脉冲（dV/dt=10¹² V/s）可使BV相对准静态提升高达65%，例如tp=5 μm、NA=10¹⁶ cm^-3、ttr=1 μm的器件。浅沟槽和NPT结构受益更大，而深沟槽和PT结构改善有限。高掺杂浓度在快速开关下仍能实现动态BV增强，同时保持低导通电阻。

4 结论（Conclusion）

研究人员通过准静态和动态反向偏压下的漂移-扩散TCAD仿真，完成了金刚石基TMBS整流器的综合电热优化。结果表明，准静态最优设计需平衡肖特基接触和沟槽底部的峰值电场。动态反向偏压下，不完全电离显著改变瞬态电场分布，超快斜坡通过延迟雪崩起始增强BV，该效应在浅沟槽和NPT设计中尤为突出。自热效应因金刚石高热导率而可忽略。因此，最优TMBS设计强烈依赖于目标工作状态。该设计方法可推广至金刚石基SBD和MOSFET结构。研究强调了动态电热建模对于高压高频金刚石功率器件真实设计和优化的重要性，同时指出需要针对金刚石精化仿真参数。