Charge compensation in 4H silicon carbide - Simulation, modelling and experimental verification

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.