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    Ladungskompensation in 4H-Siliciumkarbid – Simulation, Modellbildung und experimentelle Verifizierung

    Ladungskompensation in 4H-Siliciumkarbid - Simulation, Modellbildung und experimentelle Verifizierung

    (Drittmittelfinanzierte Einzelförderung)

    Titel des Gesamtprojektes:
    Projektleitung: Tobias Erlbacher
    Projektbeteiligte: Julietta Weiße, Lothar Frey
    Projektstart: 1. April 2016
    Projektende: 14. April 2019
    Akronym:
    Mittelgeber: DFG-Einzelförderung / Sachbeihilfe (EIN-SBH)
    URL:

    Abstract

    Für Leistungshalbleiterbauelemente in Silicium kommen Bauelementstrukturen mit Ladungskompensation zwischen p- und n-dotierten Halbleitergebieten zur Anwendung. Diese Strukturen erlauben die Realisierung von unipolaren Bauelementen mit hohen Sperrspannungen im Sperrbetrieb und gleichzeitig niedrigen Widerständen im Flussbetrieb. Erste in Siliciumkarbid realisierte Halbleiterbauelemente mit Ladungskompensationsstrukturen orientieren sich bei der Auslegung entweder an theoretischen Berechnungen, wie sie für die gut beherrschte Siliciumtechnologie Anwendung finden, oder rein auf nicht-empirischen Versuchsreihen. Dadurch wird ein geeigneter Aufbau der Kompensationsstrukturen entweder mit geringem Kompensationsgrad oder nur iterativ durch Versuche erreicht.Das vorliegende Projekt verfolgt das Ziel, die Grundlagen zur Realisierung von Ladungskompensationsstrukturen mit hohem Kompensationsgrad auf Siliciumkarbid zu legen und daran eine systematische Untersuchung hinsichtlich elektrischer Eigenschaften und dem Einfluss physikalischer Effekte durchzuführen. Dabei werden insbesondere der Einfluss der unvollständigen Aktivierung und Ionisierung der Dotierstoffe in SiC sowie der Oberflächenpassivierung auf den Kompensationsgrad, die Durchbruchspannung und den Driftwiderstand untersucht. Hiermit werden bestehende Simulationsmodelle präzisiert und eine analytische Beschreibung dieser Ladungskompensationsstrukturen ermittelt, welche nicht (wie bei Siliciumbauelementen) auf einer vollständig beherrschten Halbleitertechnologie beruhen. Mit Hilfe einer analytischen Modellierung auf Grundlage von Ladungskompensationsstrukturen in Silicium als Ausgangspunkt und unter Berücksichtigung unvollständiger Aktivierung der Dotierstoffe werden sowohl eine Modellbildung durchgeführt als auch zweidimensionale TCAD-Simulationen für laterale Ladungskompenationsstrukturen in Siliciumkarbid implementiert. Die Herstellung von lateralen Teststrukturen und deren elektrische Charakterisierung erlaubt die Präzisierung und Erweiterung der zugrunde liegenden Simulationsmodelle auf Basis der Messergebnisse. Diese Modelle werden dann zur übertragung und Verifizierung der Ergebnisse auf laterale Leistungstransistoren in SiC. Ferner erfolgt die Durchführung dynamischer Schaltvorgänge zur Untersuchung des Einflusses physikalischer Effekte wie unvollständiger Ionisierung der Dotierstoffatome hinsichtlich elektrischer Eigenschaften (z.B. Lawinendurchbruch) in Ladungskompensationsstrukturen. Abschließend erfolgt die Realisierung vertikaler Ladungskompensationsstrukturen zur Validierung des gesamten wissenschaftlichen Ansatzes.Die im Forschungsvorhaben erzielten Erkenntnisse werden die Herstellung von lateralen und vertikalen Leistungshalbleiterbauelementen auf 4H-SiC durch die Bereitstellung akkurater physikalischer Modelle zur Ladungskompensation vereinfachen.

    Publikationen

    • Weiße J., Hauck M., Sledziewski T., Tschiesche M., Krieger M., Bauer A., Mitlehner H., Frey L., Erlbacher T.:
      Analysis of Compensation Effects in Aluminum-Implanted 4H-SiC Devices
      In: Materials Science Forum 924 (2018), S. 184-187
      ISSN: 0255-5476
      DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.924.184

    Lehrstuhl für Elektronische Bauelemente
    FAU Erlangen-Nürnberg

    Cauerstr. 6
    91058 Erlangen
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