2023.3.3 星期五

写在前边

按照昨晚写的总结，今天首先调研一下PIN击穿特性。

从参考文献中得到启发，可以做个规则的PIN器件来仿真击穿特性，就类似于复现论文结构

一、PIN击穿特性的调研

1.1参考文献1

李树强,夏伟,马德营,等. PIN结构发光二极管反向击穿特性分析[J]. 光电子．激光,2006,17(4):506-508. DOI:10.3321/j.issn:1005-0086.2006.04.029.

PIN结构发光二极管反向击穿特性分析

1.1.1 引言

发光二极管（LED）的结构从导电类型看，为PIN结构。由于目前LED反向击穿电压通常高于10V，因此更多的研究集中到LED发光效率的提高和正向电压的控制，对反向特性的研究很少。作为半导体器件性能的一个重要指标，反向击穿电压包含了器件结构的诸多信息，如掺杂浓度、材料质量、材料厚度和杂质扩散等，对该性能指标进行研究，有利于深刻理解PIN的发光特性。本文通过突变结PIN理想结构电场分布模型，分析了LED反向击穿电压与掺杂的相关性。

1.1.2 PIN LED能带结构和反向击穿特性

PIN LED具有特定的掺杂分布，如AlGaInP LED为在n+-GaAs衬底上先生长n型AlGaInP下限制层，再生长掺杂的有源层（DH、MDH、MQW、SMQW），然后生长p型AlGaInP上限制层和p+电流扩展层。这种PIN-LED在理想状态下的热平衡时的杂质分布、空间电荷密度和电场分布如图所示。（有点想用ATLAS仿真一个简单的PIN结构，用tonyplot看看他的各种参数分布）

中间的白色区域应该是空间电荷区

该模型认为杂质分布是突变的，没有考虑制备过程的杂质扩散，同时认为有源区为中性半导体材料，在能带分布中没有表示出异质结带隙差。

耗尽区宽度Wd=|xn|+|xp|

内建电势

I区因为没有净电荷存在，电场强度为常数，PIN结构内建电场最大值为Em，Vbi又可表示为：

电场积分

另外，由电荷的守恒条件有：

PIN在施加反向电压Vr后，Wd展宽，同时|Em|增大，当|Em|增大到材料的临界击穿电场强度Eb时将发生击穿。

假定P区耗尽区宽度为Xp，N区耗尽区宽度为Xn

通常在LED结构中，I区厚度d远大于Xn和Xp，施加的反向电压绝大部分是降在I区内的。

如果有两个LED，其I区厚度分别是d1，d2，测量出其反向击穿电压分别为Vbr1、Vbr2，则忽略P、N区的耗尽区扩展后，根据电场分布可得：

相减得：

即Vbr与I区厚度成线性关系，该曲线斜率为Eb

1.1.3 实验过程及结果分析

论文中的器件结构：

从上图看出Vbr与d成明显线性关系，这与前面的理论分析结果非常吻合。同时，由Vbr~d关系曲线斜率可以得出非掺杂（）结构材料的EB为~

1.1.4 结论

通过突变结PIN结构理想模型，分析了该结构的反向击穿电压特性，认为该结构的反向击穿电压与I区厚度成线性关系，其关系曲线的斜率为I区材料的临界反向击穿电场强度EB。同时，利用LPMOCVD技术生长了不同有源区厚度的AlGaInP LED对上述结论进行了验证，实验结果与理论分析非常吻合。直接测出了EB

由于AlGaInP MQW LED有源区为 组合，该临界电场强度是材料组分、质量、厚度、背景掺杂等诸多因素共同决定的，因此可以作为LED有源区优化的重要参考。

1.2 参考文献2

陈红富,王奕锦,俞彦伟,等. 单区JTE终端结构4H-SiC PIN雪崩二极管击穿特性研究[J]. 南通大学学报（自然科学版）,2022,21(3):42-49. DOI:10.12194/j.ntu.20210917002.

单区JTE终端结构4H—SiC PIN雪崩二极管击穿特性研究

收获：

可以学习仿真思路，可以复现该器件和图像、特性提取，感受终端结构的影响，借鉴此思路，应用在硅PIN结构上。此终端结构应该和保护环相似。

真切地感受到了仿真时需要参数、模型选择等过程

问题：

怎么在silvaco获得电场电势分布图呢？

该论文中经常提到理想的击穿电压，是怎么计算的呢？

摘要：

作为第三代宽禁带半导体材料的碳化硅（SiC）具有高临界电场、高热导率等特性，以此材料制作成的PIN功率二极管器件可以满足高速轨道交通、航空航天等领域的高压、高温、抗辐射等要求。目前传统的4H-SiC PIN雪崩二极管容易受到电场集边效应的影响，从而导致器件的提前击穿。为了降低这种效应，利用Sentaurus TCAD软件设计了一种具有 单区结终端扩展结构（JTE）的4H-SiC PIN 雪崩二极管，在此基础上重点分析了JTE层的横向长度与掺杂浓度水平对二极管击穿特性的影响。

1.2.1 引言

SiC作为第三代宽禁带半导体材料，具有高临界电场、高热导率等优异的物理特性；SiC基器件则凭借其耐高压、抗击穿、抗辐射等优势，比Si基器件更适合用于生物医学成像、激光雷达、光学测距、火灾预警、海洋环境监测及非视距光通信等领域中。

作为半导体功率器件中的一种重要材料，SiC的临界击穿场强约是Si的10倍，相较于其他半导体材料，SiC可以在相同的外击穿电压下有较低的功率损耗。在高电压下，半导体功率器件容易产生电场集边效应使其主结附近出现电场峰值，导致耐压性急剧下降，击穿电压降低。上述现象限制了SiC功率器件的发展前景，因此可以设计适当的边缘终端结构来缓解这种效应。目前，SiC功率器件的边缘终端结构技术主要包括场板（FP）、场限环（ELR）和结终端扩展（JTE）等。在这些边缘终端技术中，结终端扩展易于设计、制备，并且可缓解器件主结区边缘的电场集边效应，避免器件提前击穿，因此，它已成为SiC器件使用比较普遍的边缘终端技术。

本文设计并仿真了一种具有单区JTE终端结构的4H-SiC PIN 雪崩二极管。与传统的4H-SiC PIN雪崩二极管结构相比，在P+区的边缘引入一个较低掺杂水平的JTE终端层来延沈高掺杂区的主结区，可以缓解二极管主结区边缘的电场集边效应并可以使二极管的击穿电压更接近于理想值，以此来使二极管拥有更高的击穿特性。

1.2.2 器件结构和物理模型

器件结构设计

传统结构和设计结构对比

传统结构如图所示，由于不合理的结构设计，其击穿电压只有267.5V.当研究人员在P+区的边缘处引入一个较低浓度的JTE层，并在特定的条件下，单区JTE终端二极管的击穿特性相较于传统的二极管会有非常大的提升。

器件几何参数：

在两种结构中，底部横向长度均为170um，底部横截面积约为1cm2；4H-SiC衬底（N+区）和4H-SiC外延层（漂移层）的掺杂物质均为氮（N），掺杂浓度分别为1e19，9e15；厚度分别为5、10um；P+区的 横向长度为10um,掺杂物质为铝（AL），掺杂浓度约为2.4e19

材料参数和主要物理模型

根据4H-SiC材料的特性及实验数据确定仿真的模拟参数，并调用相应的物理模型模拟器件的工作过程。仿真采用的4H-SiC材料的主要参数如下表：

Hetakeyama雪崩产生模型

当器件达到了雪崩的临界击穿场强时，载流子在高电场作用下能够拥有足够动能高速运动并且碰撞晶格，使得价电子从晶格中挣脱形成自由的电子—空穴对。在这个过程中由于载流子不停地碰撞晶格，雪崩区内载流子的数量急剧增加并向电极附近高速运动形成这种雪崩倍增机制主导的暗电流。Hetakeyama雪崩模型主要用来描述4H-SiC材料晶圆的各向异性，仿真模拟雪崩倍增过程采用的模型……

带隙变窄模型

4H-SiC的带隙依赖于其晶格温度，而高掺杂和载流子分布会改变材料的晶格温度，进而使得4H-SiC材料带隙的变窄。

带隙与晶格温度的关系：

式中，为室温下4H-SiC的禁带宽度；T为晶格温度；为由掺杂浓度引起的带隙变窄量；α和β分别为0.033和10e-5

产生-复合模型

产生-复合电流产生于耗尽区内热激发载流子在电场作用下向耗尽区两侧的漂移运动。产生-复合电流主要依赖于材料的生长质量、耗尽区宽度等因素。在仿真过程中，主要利用了半导体载流子的SRH复合与俄歇复合。

1.2.3 仿真与讨论

传统结构的4H-SiC二极管雪崩击穿特性研究

上图是传统结构的4H-SiC雪崩二极管器件的电场分布图、电势分布图示意图及I-V特性曲线图。传统二极管器件的电势线集中分布在主结周围，且器件的击穿主要发生在P+区域的边缘，临界击穿场强约为2.7MV.cm-1，击穿电压也比较低，仅有267.5V，相当于理论值的14%。需要指出的是，理想的击穿电压约为1900V，显然，这个结果和理想的击穿电压数值差距较大。

根据反向曲线，二极管在击穿前的电流已经达到了2~3mA，这是因为二极管有着较大的底部横截面积，约为1cm2，这使得二极管的总电阻较小，二极管的电流较大；此外，二极管外加的较高反偏电压也是产生较高电流的一个重要原因。

单区JTE结构的4H-SiC二极管雪崩击穿特性研究

针对4H-SiC材料的特性，仿真中主要采用了Hetakeyama雪崩模型、带隙变窄模型、SRH复合、俄歇复合模型和载流子迁移率模型等。

（a）图为JTE层的横向长度为25um、浓度约为3.54e18时单区JTE终端器件的I-V特性曲线图，可以看出，二极管的击穿电压约为388.6V。相较于传统结构的4H-SiC雪崩二极管结构，单区JTE终端器件的击穿电压虽然有上升，但是与理想的击穿电压仍有较大差距，因此进一步研究JTE层的长度及浓度对二极管性能的影响，将JTE终端层的浓度控制在3.54e15~8.55e18之间，研究在不同的JTE层横向长度下二极管击穿电压的变化趋势，绘制的曲线图是（b）、（c）

（b）中可以看出JTE层浓度约为4.64e17，横向长度从30~125时，单区JTE终端器件的最高击穿电压可以达到1670V以上。这个数值相当于理想值的85%以上，这表明当JTE终端层的横向长度达到漂移层厚度的3倍或者3倍以上时，二极管的击穿电压可以获得大幅提升；而当为15um时，击穿电压最高仅有1444V左右，相当于理想值的76%。

（C）中展示了JTE层的横向长度逐渐延伸到二极管的最边缘时，器件击穿电压变化曲线（160um时JTE将完全达到二极管的边缘）。从图中可以看出，JTE层的长度从155-158时，曲线随着JTE层长度增加而上移，这是因为JTE的长度增加，横向漂移层的宽度随之减小，JTE与漂移层之间的横向PN结的内建电势也会减小，外部可以施加的反偏电压增大。当JTE层延伸至二极管的最边缘处，且JTE层的浓度与P+区浓度基本保持一致时，他们之间就没有了内建电场，横向漂移区的宽度变为0，二极管的击穿电压可以达到1895V.相当于理想击穿电压，但是JTE层的横向宽度过长会增加工艺的复杂程度。

（b）和（c）展示了JTE层掺杂浓度对二极管击穿特性的影响。一方面，当JTE层的浓度小于8.6e15时，二极管击穿电压将不再受JTE终端层横向长度的影响，基本维持在267V左右，击穿位置发生在P+的边缘区，与传统器件一致，说明当JTE浓度小于一定数值时，JTE层无效。另一方面，当JTE层的浓度保持在7.22e16和4.64e17之间时，二极管击穿电压呈上升趋势；当JTE浓度大于4.64e17s时，二极管的击穿电压成下降趋势。

相较于其他单区JTE终端的4H-SiC二极管，本文设计的单区JTE终端二极管可以在更低的JTE层浓度和更短的JTE长度下实现更好的击穿特性，是一种可以降低制作工艺难度后还能获得更好击穿特性的器件。

此外，JTE的浓度存在最优值的情况：若单区JTE二极管器件的耐压要保持理论击穿电压的85%以上，就必须严格控制JTE层浓度的变化，否则器件的耐压性能会急剧变差。单区JTE二极管器件允许该JTE层的浓度变化窗口十分狭窄，表明二极管耐压特性对JTE层浓度的变化非常敏感。

上图展示了当长30um时，JTE层在不同浓度下，4H-SiC PIN二极管被击穿时沿水平方向截取P+区与JTE层内的横向电场强度的分布情况

（a）当JTE层处于低浓度状态（8.6e15），主结边缘处出现峰值电场，此处过早击穿；浓度升高，主结边缘处和P+边缘处均会出现峰值电场，主结边缘处>P+边缘处，二极管击穿电压会增加但没达到最大。浓度再增加，主结处和JTE的 末端电场大小基本相等，击穿电压达到最大。继续增加，电场峰值将从主结处转移到JTE终端层的末端，导致二极管耐压有所下降。

（b）展示了二极管在不同击穿电压条件下的二维电场分布图，从图中可看出，VB等于1670V时，主结处和JTE末端电场大小基本相等。与（a）展示结果一致。

上图展示了JTE层在不同长度下分别有着最好击穿特性时，提取出二极管沿水平方向截取的P+区域与JTE层内的电势分布图。

1.2.4 单区JTE结构的4H-SiC二极管正向导通特性研究

传统与单区开启电压均为3V，说明JTE对正向开启电压影响小。

1.2.5 结论

基于传统4H-SiC PIN雪崩二极管器件，建立了单区JTE终端结构的4H-SiC PIN雪崩二极管器件模型，通过仿真得到一系列结论。

还找到了一些文献，暂时下不看了，截图记录：

二、继续昨天的软件学习

2.1 二维器件仿真

2.1.1 ATLAS概述

2.1.2 仿真流程

2.1.3 定义结构

1. ATLAS命令生成结构

1. DevEdit编辑得到结构

区域Region的定义

2.1.4材料参数及模型

网格、区域、掺杂定义好后，定义器件仿真时的电极参数、材料特性、物理模型，数值计算方法定义好后再施加电压、电流、光照、磁场就能得到相应的器件特性。

1. 接触特性

contact：参数：功函数、边界、寄生参数、电极连接、浮栅电容等

• Gate的功函数和肖特基接触

电极和半导体材料默认是欧姆接触，定义功函数就成了肖特基接触。可以用barrier\alpha可设置接触的势垒特性

肖特基接触可由接触材料确定，如al，n.poly，p.poly等，功函数值内涵其中

铝+重掺杂硅：欧姆接触

• 设置电流边界状态

电极可以是电压控制，也可以是电流控制。（计算方法需要设置成block或newton）

• 定义外电阻、电容或电导

• 浮动接触

floating可定义浮栅电极、浮场极板

浮动接触也可以以很高的外接电阻替代，在击穿仿真时很有用

• 电极间短接

将两个或多个electrode的name设置成一样，使用不同的位置参数

• 开路接触

①删掉电极②在contact定义中采用很大的接触电阻，相当于上拉电阻的作用。③使用电流控制，将电流设置的很小或是0

2.材料特性

三大类：半导体、绝缘体、导体

参数：半导体：电子亲和势、能带间隙、状态密度、少子寿命和饱和速率等。仿真时很多材料有默认的参数

材料特性用material状态设置

参数：区域参数、能带结构参数、BQP参数、迁移率模型参数、复合模型参数、碰撞离化参数……

• 区域材料参数：名称、序号、

• 能带结构参数：电子亲和势、导带不连续参数、300K禁带宽度，导带密度，价带密度、电学介电常数

• 迁移率模型参数：mun mup vsatn vsatp

• 复合模型参数：augn augp

• 碰撞离化参数：lambdae lambdah

• klaassen模型参数：taun0 taup0

• 载流子统计模型参数：eab edb

• 热载流子注入参数

• 导体参数

• 晶格温度相关参数

• 光生成参数

• 激光器参数

• 混杂参数

3.界面特性

Interface：定义界面电荷密度和表面复合速度 界面类型默认为：半导体绝缘体界面，半导体半导体、半导体边界 qf（面电荷密度）、复合速率

4.物理模型

由models、impact指定，分为五组。器件仿真通用框架是泊松方程和连续性方程。变量去耦-模型求解-代入方程

迁移率模型

复合模型

载流子统计模型

碰撞离化模型

隧道模型

针对特定的技术，有简便的方法配置模型

print，Deckbuild输出窗口会输出此仿真模型及其参数

2.1.5 数值计算方法