Kurzbeschreibung

Superjunction-Bauelemente haben bereits in Silizium-Technologien gezeigt, dass die bisherige „Silizium-Grenze“ überschritten werden kann. Sie ermöglichen eine kleinere Chipfläche pro Bauteil und/oder eine Reduktion des Einschaltwiderstands im Vergleich zu konventionellen Designs bei gleicher Auslegungsspannung. Die Industrie bewegt sich für Hochspannungsanwendungen zunehmend in Richtung Siliziumkarbid (SiC). Aufgrund der Ähnlichkeiten zwischen beiden Technologien ist zu erwarten, dass sich Superjunction-Konzepte auch in SiC durchsetzen werden.

Aufgrund ihrer Materialeigenschaften können SiC-MOSFETs für höhere Spannungsklassen ausgelegt werden als Si-Bauelemente, die bereits die „Silizium-Grenze“ erreicht haben. Mit Superjunction-Konzepten können SiC-MOSFETs in noch höhere Spannungsklassen vordringen. Diese hohen Sperrspannungen erfordern neue Edge‑Termination‑Konzepte, die sich gut mit Superjunction-Strukturen integrieren lassen. Ziel dieser Arbeit ist es, neuartige Edge‑Termination‑Konzepte in Superjunction‑JBS‑ und PIN‑Dioden zu demonstrieren. Dioden werden als Demonstratoren verwendet, um eine schnellere Entwicklung zu ermöglichen, da im Vergleich zu einem vollständigen MOSFET weniger Prozessschritte erforderlich sind.

Ziele der Arbeit

Hauptziel

Demonstration eines neuartigen Edge‑Termination‑Konzepts für Superjunction‑SiC‑MOSFETs anhand von Superjunction‑SiC‑Dioden als Demonstratoren

Teilziele

• Entwicklung eines Verständnisses für die Funktion der Edge Termination in Siliziumkarbid‑Superjunction‑MOSFETs
• Untersuchung von Konzepten mittels TCAD‑Modellen, gefolgt von der Auslegung ausgewählter Designs
• Optionales Ziel: Fertigung von Demonstratoren

Technischer Hintergrund: Superjunction

Vereinfacht ist die Sperrfähigkeit eines PN-Übergangs über die Breite der Raumladungszone gemäß folgender Beziehung verknüpft:

U_\text{BC} \approx E_\text{crit} \cdot d_\text{SCR}

In konventionellen MOSFET-Designs beginnt sich die Raumladungszone an der Grenzfläche zwischen Body und Driftregion als eindimensionale Front zu bilden und dehnt sich proportional mit der Sperrspannung aus. Superjunction-Strukturen verändern die Geometrie des Übergangs so, dass sich eine zweite Front ausbildet, entlang derer sich die Raumladungszone mit steigender Sperrspannung ausbreitet. Eine der Fronten bewegt sich – wie in konventionellen Übergangsstrukturen – vertikal, während sich die zweite Front lateral ausbreitet. Wie in der unten stehenden Abbildung zu sehen ist, treffen sich bei hinreichend hoher Sperrspannung die lateralen Fronten, wodurch sich die Raumladungszone deutlich vergrößert und für die gegebene Sperrspannung wesentlich breiter wird als üblich.

In konventionellen MOSFET-Designs kann die Größe der Raumladungszone über die Dotierkonzentration der Driftregion eingestellt werden gemäß:

d_{\mathrm{SCR}} \propto \sqrt{\frac{1}{N_A} + \frac{1}{N_D}}

But this causes the resistance of the drift layer to increase in proportion. Since the width of the space charge region in the superjunction concept is additionally increased as a result of its geometry, higher doping of the drift region becomes possible, in turn lowering drift resistance. Chip designs can use this freed budget to either lower on-resistance or chip size.

Illustration of the superjunction function principle. a) Expansion of a space charge region with increasing reverse voltage. b) Simplified parasitic capacitances in a MOSFET. c) Simplified forward resistance in a MOSFET.

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