沟槽终端Ga2O3/金刚石异质结二极管电学特性仿真研究

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2026.0065

摘要/Abstract

摘要： 氧化镓（Ga₂O₃）因宽禁带、高击穿场强等优异特性而受到广泛关注。然而，Ga₂O₃本征热导率低及缺乏有效p型掺杂的短板限制了其在功率器件中的应用。将Ga₂O₃与高热导率的p型半导体材料异质集成，被认为是解决上述问题的有效方案之一。金刚石材料具有极高的热导率，并且可以实现可控的p型掺杂，可用于与n型Ga₂O₃构建异质结器件，从而弥补Ga₂O₃的不足。为提高Ga₂O₃/金刚石异质结二极管的击穿特性，本文提出在Ga₂O₃/金刚石异质结中引入沟槽终端结构，以期通过改善电场集中提升器件击穿电压。并利用Sentaurus TCAD仿真工具，系统研究沟槽宽度、深度及填充介质对器件击穿电压的影响规律。仿真结果表明：增大沟槽宽度可显著提升击穿电压，从347.8 V提高至1 197.85 V，增幅达244.4%；随着沟槽深度增加，击穿电压进一步提升至1 334.51 V。在填充介质方面，对比空气、二氧化硅（SiO₂）、氧化铝（Al₂O₃）和二氧化铪（HfO₂）四种材料，SiO₂凭借稳定的电学特性及对击穿电压的显著提升效果，成为最佳介质选择。本文为Ga₂O₃/金刚石器件的结构设计与性能优化提供了理论依据。

关键词: Ga₂O₃; 金刚石; 异质结二极管; 击穿电压; 沟槽终端; 电场集中

Abstract: Gallium oxide （Ga₂O₃） has attracted widespread attention due to its excellent properties such as wide bandgap and high breakdown field strength. However， the application of Ga₂O₃ in power devices is limited by its low intrinsic thermal conductivity and the lack of effective p-type doping. It is heterogeneously integrated with p-type semiconductor materials with high thermal conductivity， which is considered to be one of the effective solutions to solve the problem of Ga₂O₃. Diamond materials have extremely high thermal conductivity and can achieve controlled p-type doping， and it can be used to construct heterojunction devices with n-type Ga₂O₃， by which the shortcomings of Ga₂O₃ are compensated. In order to improve the breakdown characteristics of Ga₂O₃/diamond heterojunction diodes， a groove terminal structure is proposed to introduce a trench terminal structure into Ga₂O₃/diamond heterojunction， in order to increase the breakdown voltage of the device by improving the electric field. Systematic simulations were conducted using Sentaurus TCAD to evaluate the effects of trench width， depth， and filling dielectric on breakdown voltage. The results show that increasing the trench width significantly raises the breakdown voltage from 347.8 V to 1 197.85 V， an increase of 244.4%. A further increase in trench depth enhances the voltage to 1 334.51 V. In terms of filling media， compared with air， silica （SiO₂）， alumina （Al₂O₃） and hafnium dioxide （HfO₂）， SiO₂ has become the optimal medium choice due to its stable electrical characteristics and significant improvement effect on breakdown voltage. This study offers theoretical guidance for the design and optimization of Ga₂O₃/diamond devices.

Key words: Ga₂O₃; diamond; heterojunction diode; breakdown voltage; trench termination; electric field crowding

中图分类号:

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图/表 8

图1 Ga2O3/金刚石异质结PiN二极管。（a）无终端结构；（b）沟槽终端结构

Fig.1 Ga2O3/diamond heterojunction PiN diodes. （a） Without termination structures；（b） trenched termination structures

表1 Ga2O3与金刚石材料相关参数

Table1 Related parameters of Ga2O3 and diamond materials

Parameter	Ga₂O₃	Diamond
Band gap， E_g/eV	4.85	5.44
Electron mobility， μ/（ cm²·V^-1·s^-1 ）	300	2 000
Dielectric constant， κ_s	10.0	5.7
Electron affinity， χ/eV	3.7	1.3
Valence band state density， N_C/cm^-3	3.72×10¹⁸	1.0×10²⁵
Conduction band state density， N_V/cm^-3	1.16×10¹⁹	1.0×10²⁶
Electronic effective quality， m_e/m₀	0.28	0.28
Breakdown field strength， E_c/（MV·cm^-1）	8	10
Thermal conductivity， λ/（W·cm^-1·K^-1）	0.27	20

表2 Ga2O3与金刚石材料的vanOverstraeten参数

Table 2 Parameter of vanOverstraeten of Ga2O3 and diamond materials

Parameter	Value
Parameter	Electrons（Ga₂O₃）	Holes（Diamond）
a/cm^-1	7.06×10⁵	1.94×10⁸
b/（V·cm^-1）	2.10×10⁷	7.75×10⁶
E₀/（V·cm^-1）	4.00×10⁵	4.00×10⁵
$ℏ ω o p$ /eV	0.063	0.165

表2 Ga2O3与金刚石材料的vanOverstraeten参数

Table 2 Parameter of vanOverstraeten of Ga2O3 and diamond materials

Parameter	Value
Parameter	Electrons（Ga₂O₃）	Holes（Diamond）
a/cm^-1	7.06×10⁵	1.94×10⁸
b/（V·cm^-1）	2.10×10⁷	7.75×10⁶
E₀/（V·cm^-1）	4.00×10⁵	4.00×10⁵
$ℏ ω o p$ /eV	0.063	0.165

图2 器件的击穿电压及击穿时器件的峰值电场强度随沟槽宽度的变化图

Fig.2 Diagram of the device's breakdown voltage and peak electric field strength during breakdown with trench width

图3 不同沟槽宽度下器件的击穿电场分布图

Fig.3 Breakdown electric field distribution diagram of devices with different trench widths

图4 器件的击穿电压及击穿时器件的峰值电场强度随沟槽深度的变化图

Fig.4 Diagram of the device's breakdown voltage and peak electric field strength during breakdown with trench depth

图5 不同沟槽深度下器件的击穿电场分布图

Fig.5 Breakdown electric field distribution diagram of devices with different trench depths

图6 不同沟槽填充介质的器件击穿电压随沟槽深度的变化图

Fig.6 Variation of device breakdown voltage with trench depth of different trench filling materials

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沟槽终端Ga₂O₃/金刚石异质结二极管电学特性仿真研究

Simulation Study on Electrical Characteristics of a Trench Terminated Ga₂O₃/Diamond Heterojunction Diode

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