LỜI MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, vật liệu bán dẫn có độ rộng vùng cấm lớn như Silicon Carbide (SiC), Gallium Nitride (GaN), Aluminium Nitride (AlN) dành được nhiều sự quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học trên thế giới, bởi các tính chất ưu việt so với những loại bán dẫn truyền thống, chẳng hạn là dùng trong lĩnh vực điện tử công suất, bán dẫn độ rộng vùng cấm lớn này sẽ chịu đựng được điện trường lớn, hoạt động ở các điều kiện khắc nghiệt tốt hơn bình thường. Gallium Oxide (Ga2O3) là một trong số đó, với giá trị năng lượng vùng cấm và hằng số điện môi lần lượt là 4.8 eV và 10, điện trường đánh thủng được ước tính vào khoảng 8 MV/Cm. Đây được xem là loại vật liệu tiềm năng cho nghiên cứu, có khả năng chế tạo được các thiết bị điện tử công suất mà chịu được hiệu điện thế từ vài trăm cho đến hàng nghìn vôn. Và nhiều bài báo, tạp chí khoa học lớn trên thế giới đã công bố những kết quả thực nghiệm về Gallium Oxide, dùng trong các cấu trúc Diode, MOSFET… kết quả cực kỳ ấn tượng.
Sử dụng chương trình tính toán, mô phỏng linh kiện là một công nghệ trong lĩnh vực bán dẫn, việc này có nhiều ưu điểm như tiết kiệm thời gian, chi phí cho nghiên cứu và chế tạo thực nghiệm, khảo sát được các tính chất đặc biệt như: phân bố điện trường, vị trí có khả năng bị đánh thủng của linh kiện, chiều hướng của dòng điện khi thiết bị hoạt động… từ kết quả đạt được thuận lợi cho việc chế tạo thực nghiệm, đưa ra những cải tiến về cấu trúc nhầm tăng hiệu quả sau này. Từ những cơ sở trên, tôi quyết định thực hiện 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”. Với nghiên cứu này, tôi chú trọng đến việc chuẩn hóa được thông số của vật liệu Ga2O3, khảo sát các tính chất về điện của linh kiện bằng công nghệ mô phỏng, tạo tiền đề cho các dự án mới trong tương lai. 9 Nội dung nghiên cứu gồm các vấn đề sau: 1.
Sử dụng chương trình TCAD mô phỏng cấu trúc linh kiện. Chuẩn hóa cấu trúc mô phỏng, các đường đặc tuyến, trùng khớp với báo cáo thực nghiệm. Khảo sát sự ảnh hưởng của các yếu tố (công thoát, độ dày lớp drift) lên đặc tính điện của Diode. Mô phỏng điện trường đánh thủng của linh kiện Gallium Oxide Schottky Barrier Diode.
Vật liệu bán dẫn độ rộng vùng cấm lớn và Gallium Oxide Linh kiện điện tử công suất là các thiết bị bán dẫn, được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành như: năng lượng tái tạo, thiết bị lưu trữ điện, viễn thông liên lạc, công nghệ robot và trong việc chuyển đổi điện năng. Theo ước tính, có hơn 50% các thiết bị điện trên thế giới được điều khiển bởi các linh kiện điện tử công suất [1]. Việc sử dụng những thiết bị bán dẫn có công suất lớn giúp cải thiện hiệu quả làm việc và góp phần tiết kiệm các nguồn nhiên liệu đang dần khan hiếm như than dầu mỏ… và cuối cùng là giảm thiểu tác động xấu đến môi trường sống. Các ứng dụng này yêu cầu công suất lớn, các linh kiện phải chịu được điện áp cao, hoạt động ổn định trong điều kiện khắt nghiệt hơn bình thường.
Vì những lý do trên, yêu cầu đối với những linh kiện bán dẫn công suất càng ngày càng cao và có nhiều ý nghĩa quan trọng hơn. Vật liệu bán dẫn có độ rộng vùng cấm lớn cũng có nhiều loại, chẳng hạn như Silicon Carbide (SiC), Gallium Nitride (GaN)… ưu điểm của chúng là hiệu quả tốt trong các thiết bị hoạt động ở hiệu điện thế cao, nhất là điện trường đánh thủng đạt được giá trị lớn. So với những vật liệu bán dẫn truyền thống, hiệu điện thế chịu được thấp, thì các vật liệu độ rộng vùng cấm lớn này sẽ chịu được tải lớn hơn, khó bị phá vỡ hơn nếu cùng cấu trúc và kích thước so với vật liệu bán dẫn độ rộng vùng cấm nhỏ [2] [3]. Bán dẫn độ rộng vùng cấm lớn cho phép linh kiện hoạt động ở nhiệt độ cao.
Silicon là loại bán dẫn truyền thống có nhiều ứng dụng, tuy nhiên độ rộng vùng cấm của loại vật liệu này chỉ khoảng 1.1 eV, điều này có nghĩa các linh kiện làm bằng vật liệu này dễ dàng bị kích thích hoạt động bởi các yếu tố như nhiệt độ, năng lượng điện, dẫn đến việc khó khăn trong kiểm soát, điều khiển thiết bị điện. So sánh giữa Si và các vật liệu bán dẫn 4H-SiC và GaN có năng lượng vùng cấm lớn vào khoảng 3-4 eV, những thiết bị sử dụng bán dẫn năng lượng vùng cấm lớn sẽ hoạt động được ở các nhiệt độ cao hơn, thông thường là lớn hơn 300oC. 11 Bên cạnh GaN và SiC, Ga2O3 là vật liệu bán dẫn độ rộng vùng cấm lớn mới nổi lên. Đã thu hút sự quan tâm đáng kể trong nhiều năm gần đây.
Tiếp tục so sánh về độ rộng vùng cấm, Gallium Oxide có giá trị 4.9 eV còn lớn hơn cả Silicon Carbide và Gallium Nitride. Do đó điện trường đánh thủng của loại vật liệu này được tính toán vào ngưỡng 8 MV/Cm, hơn gấp ba lần nếu so với SiC 2.5 MV/Cm và hơn hai lần so với GaN 3. Biểu đồ số lượng các công trình nghiên cứu có liên quan đến vật liệu Gallium Oxide trong những năm gần đây [6]. Hơn nữa việc tổng hợp -Ga2O3 đơn tinh thể đã được thực hiện thành công bằng phương pháp edge-defined film-fed growth (EFG) [7].
Hiện tại -Ga2O3, cũng có thể pha tạp có kiểm soát loại n với các chất cho như Si, Ge, Sn [8]. 12 Những tính chất cơ bản của Silicon và các vật liệu bán dẫn năng lượng vùng cấm lớn được liệt kê trong bảng 1. Tính chất Silicon 4H-SiC GaN -Ga2O3 Năng lượng vùng 1.8 cấm (eV) Hằng số điện môi 11.0 Ái lực điện tử (eV) 4.0 Mật độ trạng thái ở 2.72*1018 vùng dẫn (Cm-3) Mật độ trạng thái ở 1.72*1018 vùng hóa trị (Cm-3) Điện trường đánh 0. So sánh các tính chất của vật liệu.
Trong báo cáo này, tôi sẽ tập trung vào dạng thù hình -Ga2O3, theo các nghiên cứu đã được công bố thì đây là cấu trúc ổn định và bền với nhiệt nhất trong năm dạng thù hình là , , , và đang có [12]. Schottky Barrier Diode Trước khi đi vào tìm hiểu sự tương tác của tiếp xúc kim loại và chất bán dẫn ta cần khái quát về khái niệm công thoát (work function - WF). Công thoát của một vật liệu được hiểu cơ bản là lượng năng lượng cần thiết để kích thích một electron ở mức thế hóa học có đủ năng lượng để thoát ra đến vô cùng và đến đó với mức năng lượng bằng không [13]. 13 Albert Einstein là người đầu tiên đưa ra khái niệm công thoát trong nghiên cứu của ông về hiệu ứng quang điện ở kim loại.
Và cũng chính công trình nghiên cứu này, chứ không phải thuyết tương đối đã giúp Einstein đạt được giải Nobel năm 1921 [14]. Khi một kim loại và một chất bán dẫn được kết nối với nhau, có thể dẫn đến hai kiểu tiếp xúc, tùy thuộc vào kim loại và chất bán dẫn được sử dụng. Mối nối có thể được chỉnh lưu, chỉ cho phép dòng điện đi qua theo một chiều hướng. Ngoài ra nó có thể là Ohmic, trong trường hợp này dòng điện có thể đi theo một trong hai hướng.
Trong báo cáo này sẽ thảo luận về tiếp điểm chỉnh lưu, gọi là Schottky Barrier Diode [14]. Trạng thái của kim loại và bán dẫn loại n khi chưa tiếp xúc với nhau [14]. Hình bên trên thể hiên trạng thái của kim loại và bán dẫn pha tạp loại n khi chưa hình thành tiếp xúc, M và S ký hiệu cho đại lượng công thoát lần lượt của kim loại và vật liệu bán dẫn. Đường nét đứt ở trên thể hiện cho mức năng lượng bằng không ở vô cùng.
Thế hóa học của của chất bán dẫn được biểu diễn bằng đường nét đứt có ký hiệu . Với kim loại thế hóa học được coi là mức năng lượng Fermi, và được ký hiệu là EF. Sự 14 chênh lệch năng lượng giữa đáy của vùng dẫn và vô cùng được gọi là ái lực điện tử của vật liệu bán dẫn thể hiện bằng dấu . Khi tiếp xúc được hình thành, các electron có thể hạ thấp năng lượng của mình bằng cách đổ từ vùng dẫn của chất bán dẫn sang kim loại [14].
Kết quả của quá trình khuếch tán là sự biến dạng cấu trúc vùng năng lượng được mô tả bằng các hình tiếp theo. Việc khuếch tán hạt tải sẽ xảy ra liên tục cho đến khi nào thế hóa học ở chất bán dẫn thẳng hàng với mức Fermi của kim loại [14]. Vì nồng độ hạt tải khác nhau ở phía bán dẫn loại n và kim loại, sự khuếch tán của chất mang điện qua bề mặt phân cách sẽ ngược lại so với gradient nồng độ và tuân theo định luật đầu tiên của Fick: J = -DC(r) [15] trong đó J là thông lượng, D là hệ số khuếch tán và C(r) nồng độ là một hàm theo vị trí. Cấu trúc vùng năng lượng bị biến dạng, hình thành rào thế mà các điện tử phải vượt qua rào thế này để đi từ bán dẫn đến kim loại [14].
Ở một nhiệt độ nhất định, sẽ có các electron trong kim loại có thể bị kích thích nhiệt đủ để vượt qua rào thế và khuếch tán vào vùng dẫn của chất bán dẫn. Tương tự như vậy, sẽ có các electron trong vùng dẫn sẽ có đủ nhiệt năng để khuếch tán từ chất bán dẫn vào kim loại. Ở trạng thái cân bằng, các dòng điện này phải bằng nhau. Nếu không, sự tích điện sẽ xảy ra ở bề mặt phân cách và cấu trúc dải sẽ bị biến dạng cho đến khi dòng khuếch tán của các electron giống hệt nhau theo cả hai hướng.
Rào cản thế cao hơn gặp phải trong quá trình di chuyển từ kim loại sang chất bán dẫn được bù đắp bởi số lượng lớn hơn nhiều electron tự do trong kim loại. Ở trạng thái cân bằng, vùng lân cận tiếp xúc kim loại và bán dẫn được gọi là vùng nghèo (Depletion layer) [14]. Vùng nghèo này hoạt động giống như một rào thế hóa học. Chiều cao của rào thế này đối với tiếp xúc kim loại với bán dẫn pha tạp loại n được tính theo công thức: B = S - [13] Giá trị B này cũng bằng tổng độ dịch chuyển xuống của vùng dẫn trong chất bán dẫn ở xa tiếp xúc kim loại và vật liệu bán dẫn.