Electro-thermal Co-design of Vertical \b{eta}-Ga2O3 Schottky Diodes with High-permittivity BaTiO3 Field-plate for High-field and Thermal Management

技术摘要：具有高介电常数 BaTiO$_3$ 场板的垂直 $\beta$-Ga$_2$O$_3$ 肖特基二极管电-热协同设计

问题陈述
垂直 $\beta$-Ga$_2$O$_3$ 肖特基势垒二极管（SBDs）由于其宽禁带（~4.8 eV）和高临界击穿场强，是高功率电子器件极具前景的候选材料。然而，其部署的一个显著瓶颈在于材料固有的低热导率（11–24 W/m K），这比 GaN 和 SiC 等其他宽禁带半导体低一个数量级。这种限制会导致严重的自加热效应、热降额以及潜在的灾难性失效。虽然大量研究集中在通过边缘终止技术（如场板、保护环）管理高电场，但大多数研究是将热管理与高场管理分开处理的。此外，与横向结构相比，现有针对垂直器件的热管理策略仍然较少。因此，迫切需要一种能够同时解决垂直高压 SBDs 中散热与电场分布问题的电-热协同设计方法。

方法论
本工作采用了一种结合器件架构优化与材料工程的综合电-热协同设计策略。研究利用 Silvaco ATLAS TCAD 进行二维自洽电-热仿真及实验验证。

1. 器件结构： 研究模拟了两种主要的垂直 SBD 配置：
   • 基准场板 (FP)： 标准垂直 SBD，具有 Pt/$\beta$-Ga$_2$O$_3$ 肖特基接触和场板。
   • 深蚀刻侧壁场板： 一种台面蚀刻结构，旨在移除阳极边缘附近的横向耗尽区。
2. 介电工程： 两种结构均使用不同的场板介电堆叠进行了模拟：
   • 单层高介电常数 BaTiO$_3$ (high-$\kappa$)。
   • BaTiO$_3$（顶层）与 AlN（底层界面层）组成的堆叠结构。
3. 仿真参数： 仿真基于位于高掺杂衬底上的 10 $\mu$m 漂移层（$1\times10^{16}$ cm$^{-3}$）。模型包含了随温度变化的导热率、迁移率和焦耳热。通过 Landauer 方法和扩散失配模型 (DMM) 分析了介电层/$\beta$-Ga$_2$O$_3$ 界面的热边界电导 (TBC)。
4. 实验验证： 为了验证所提界面层的电学特性，研究利用原子层沉积 (ALD) 生长的 AlN 和 Al$_2$O$_3$ 在 HVPE 生长的 $\beta$-Ga$_2$O$_3$ 衬底上制备了金属-绝缘体-半导体 (MIS) 二极管。通过测量击穿特性，对比了 AlN 相对于 Al$_2$O$_3$ 以及 $\beta$-Ga$_2$O$_3$ 本征极限的介电强度。

核心贡献与结果

• 通过 AlN 缓解热热点： 在 4 V 正向偏置下的 TCAD 仿真显示，使用单层 BaTiO$_3$ 场板会导致肖特基接触边缘出现集中的焦耳热热点。改用 BaTiO$_3$/AlN 堆叠结构后，峰值焦耳热功率密度降低了约 92%（一个数量级）。AlN 优异的热导率（50 W/m K）相比于 BaTiO$_3$（1.3 W/m K）显著促进了散热。
• 增强的热边界电导 (TBC)： Landauer 方法建模表明，AlN/$\beta$-Ga$_2$O$_3$ 界面的 TBC（室温下为 483.5 MW/m$^2$K）显著高于 BaTiO$_3$/$\beta$-Ga$_2$O$_3$ 界面（180 MW/m$^2$K）。这一理论结果证实，AlN 界面层是观察到堆叠配置中热传输改善的主要驱动力。
• 高场管理与击穿： 在反向偏置（2000 V）下，BaTiO$_3$/AlN 堆叠将峰值电场从 $\beta$-Ga$_2$O$_3$ 漂移层（仅使用 BaTiO$_3$ 的情况）转移到了 AlN 层中。由于 AlN 具有比 $\beta$-Ga$_2$O$_3$（~8 MV/cm）更高的预测临界击穿场强（15.4 MV/cm），这种转移增强了器件的反向阻断能力。
• 深蚀刻架构优势： 通过消除横向耗尽区，深蚀刻侧壁场板结构进一步降低了关键阳极边缘附近的累积热量和电场强度。将蚀刻深度从 0.2 $\mu$m 增加到 0.8 $\mu$m，导致峰值电场（从 2.9 MV/cm 降至 0.94 MV/cm）单调下降，并显著降低了热阻 ($R_{th}$)。
• 实验击穿验证： 垂直 MIS 二极管的实验表征显示，ALD 生长的 AlN 实现了 11 MV/cm 的击穿场强。该数值显著超过了 ALD Al$_2$O$_3$（6 MV/cm）的击穿场强以及 $\beta$-Ga$_2$O$_3$ 的理论击穿场强，验证了 AlN 作为高压应用中稳健界面介电层的有效性。

意义
本文声称，集成 BaTiO$_3$/AlN 介电堆叠与优化的器件架构（如深蚀刻）为垂直 $\beta$-Ga$_2$O$_3$ 功率器件的电-热协同设计提供了一条可行路径。通过利用 BaTiO$_3$ 的高介电常数进行电场削减，以及 AlN 的高热导率和击穿强度进行散热和界面保护，所提出的设计解决了热管理与高场可持续性的双重挑战。作者认为，该方法相比于传统的介电材料（如 Si$_3$N$_4$ 或 Al$_2$O$_3$）以及难以集成的材料（如金刚石）更具优势，为实现具有增强可靠性的多千伏垂直功率开关提供了实用的途径。