측면형 및 수직형 다이아몬드 쇼트키 장벽 다이오드의 전기적 특성 분석 = Analysis of Electrical Characteristics of Lateral and Vertical Diamond Schottky Barrier Diodes

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Diamond is a promising ultra-wide-bandgap semiconductor for next-generation power electronic devices due to its exceptional material properties. However, the realization of diamond-based power devices remains challenging because reliable n-type doping is difficult to achieve, making Schottky barrier diodes(SBDs) the most actively investigated device architecture. In this study, first, lateral diamond SBDs were fabricated and characterized, exhibiting rectifying behavior with a turn-on voltage of 0.66 V and an ideality factor of 1.46. Nevertheless, the high on-resistance associated with electrode spacing indicates that lateral structures are less suitable for high-power applications, motivating the adoption of vertical device architectures. In vertical diamond SBDs, severe electric-field crowding at the Schottky contact edge limits the breakdown voltage. To address this issue, field plate(FP) structures were systematically investigated using Silvaco TCAD simulations under a fixed total dielectric thickness of 100 nm. For single FP structures, the breakdown voltage increased with both dielectric thickness and dielectric constant; however, high-k dielectrics may induce increased leakage current due to their limited band offset with diamond. To overcome this limitation, a dual FP structure combining low-k and high-k dielectrics was proposed. The optimized SiO2(50 nm)/HfO2(50 nm) configuration achieved a breakdown voltage of 880 V, corresponding to a 3.8-fold improvement compared to a device without an FP. This structure also provides a more uniform electric-field distribution and alleviates potential reliability concerns. These results provide practical design guidelines for field plate engineering in high-voltage diamond Schottky barrier diodes.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 01
• 2. 이론적 배경 04
• 2.1. 전력 반도체 개요 04
• 2.1.1. 와이드 밴드갭 반도체 소재의 필요성 04
• 2.2. 다이아몬드 재료의 물리적 특성 07
• 2.2.1. 다이아몬드 성장 기술 07
• 2.2.2. 다이아몬드 도핑 특성 및 기술적 한계 08
• 2.3. 다이아몬드 쇼트키 장벽 다이오드 10
• 2.3.1. 금속-반도체 접합 10
• 2.3.2. 전류-전압(I-V) 특성 13
• 2.3.3. 정전용량-전압(C-V) 특성 15
• 2.4. 경계 종단 기술(Edge Termination) 17
• 3. 측면형 다이아몬드 쇼트키 장벽 다이오드 20
• 3.1. 전산모사 기반 물리적 해석 20
• 3.1.1. 금속 일함수와 턴온 전압의 상관관계 20
• 3.1.2. 전극 간 거리와 온저항 특성 21
• 3.2. 소자 제작 공정 23
• 3.3. 전기적 특성 분석 25
• 4. 수직형 다이아몬드 쇼트키 장벽 다이오드 30
• 4.1. 시뮬레이션 개요 및 소자 구조 설계 30
• 4.1.1. 물리 모델 및 시뮬레이션 조건 30
• 4.1.2. 수직형 쇼트키 장벽 다이오드 구조 32
• 4.2. 필드 플레이트 미적용 구조의 전기적 특성 33
• 4.3. 단일 필드 플레이트 구조의 전기적 특성 34
• 4.4. 이중 필드 플레이트 구조의 전기적 특성 42
• 4.5. 이중 필드 플레이트 두께 비율에 따른 성능 최적화 47
• 5. 결론 52
• 6. 참고문헌 54