Laterale und vertikale Ladungskompensationsstrukturen in 4H-Siliziumkarbid
Lateral and vertical charge compensation structures in 4H silicon carbide
Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus4-148847
- Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung von Ladungskompensationsstrukturen (vertikale
Super-Junction-Strukturen und laterale RESURF-Strukturen) auf Basis des Halbleitertyps
4H-Siliziumkarbid. Es wurden laterale RESURF-LDMOS-Transistoren für die
Anwendung als Schalter in integrierten Schaltkreisen untersucht, die, aufgrund einer
implantierten Stickstoffschicht als Kompensationsschicht zur p-Typ Epitaxieschicht, hochsperrend
sind. Durch einen Vergleich der gemessenen Daten verschiedener Modelle, hinsichtlich
der Dimensionierung und Dotierstoffkonzentrationen, mit TCAD-Simulationen,
konnten Designregeln für den LDMOS-Transistor aufgestellt werden. Weiterhin zeigten
Simulationen, dassZiel dieser Arbeit war die Entwicklung von Ladungskompensationsstrukturen (vertikale
Super-Junction-Strukturen und laterale RESURF-Strukturen) auf Basis des Halbleitertyps
4H-Siliziumkarbid. Es wurden laterale RESURF-LDMOS-Transistoren für die
Anwendung als Schalter in integrierten Schaltkreisen untersucht, die, aufgrund einer
implantierten Stickstoffschicht als Kompensationsschicht zur p-Typ Epitaxieschicht, hochsperrend
sind. Durch einen Vergleich der gemessenen Daten verschiedener Modelle, hinsichtlich
der Dimensionierung und Dotierstoffkonzentrationen, mit TCAD-Simulationen,
konnten Designregeln für den LDMOS-Transistor aufgestellt werden. Weiterhin zeigten
Simulationen, dass durch eine Optimierung der Kompensationsschicht figure-of-merit-
Werte im Bereich von 40–50 MW/cm2 möglich sind. Diese Werte
sind hinsichtlich der einfachen RESURF-Struktur im Vergleich zur Literatur überdurchschnittlich
hoch. Eine Erweiterung des RESURF-LDMOS-Transistors wäre eine weitere
Kompensationsschicht innerhalb der Bestehenden. Hierfür wurden Teststrukturen in
Form von RESURF-Dioden untersucht. Die Kompensationsschicht ist Aluminium-dotiert
innerhalb einer n-Typ Epitaxieschicht und wurde mittels „Einzelschuss“-Hochenergie-
Ionenimplantation mit Energiefilter-Technologie realisiert. Es wurde im Rahmen der
Arbeit eine Oxidmaskierung einer Dicke von ca. 4 µm entwickelt, für Implantationsenergien
bis zu 6,6 MeV und Eindringtiefen bis zu 2 µm. Die Dioden sperrten bis ca. 700 V.
Weiterhin wurde im Rahmen der Arbeit eine defektbasierte Ladungskompensation in
Aluminium-implantierten Schichten untersucht. Die Auswirkungen einer defektbasierten
Kompensation wurden mittels Hall-Effekt- und DLTS-Messungen analysiert. Die Entwicklung
neuer physikalischer Modelle als Anpassungsfunktion an die gemessene freie
Ladungsträgerdichte ermöglichte eine hohe Anpassungsgenauigkeit. Es zeigte
sich, dass Defekte nahe der Leitungsbandkante die Löcherdichte um ca. 40 % reduzieren.
Weiterhin basiert das Modell auf zusätzlichen Störstellen nahe der Valenzbandkante
(EV + (300–500 meV)). Diese Störstellen können donator- oder akzeptorartig sein. Für
Letztere lässt das Modell auf Aluminium-korrelierte Defekte schließen. Hierbei teilt sich
die implantierte Aluminiumkonzentration scheinbar auf das Aluminium-Energieniveau
und auf ein energetisch in der Bandlücke tiefer liegendes Energieniveau näherungsweise im Verhältnis 1:1 auf. Für die Annahme von donatorartigen Störstellen in der unteren
Hälfte der Bandlücke ergibt das Modell einen Kompensationsgrad bis zu 90 %. In der oberen Hälfte der Bandlücke wurden im Rahmen der Arbeit fünf Defekte mittels DLTS detektiert, die vergleichbar mit den Literaturwerten der Defekte EH2, IN3, IN4, IN8
sowie der ON-Defekte sind.…
- The purpose of this work was the improvement of charge compensation structures in 4H
Silicon Carbide, such as vertical super-junction or lateral RESURF structures. Lateral
RESURF LDMOS transistors were developed for an application in integrated circuits.
This transistor type provides a high blocking voltage, due to an implanted nitrogen layer
with the functionality of a compensation layer to the p-type epitaxial layer. Different
design parameters were investigated. A maximum breakdown voltage of about 980 V and a
minimum ON-state resistance of about 54 mOhmcm2 were achieved, depending on the design
of the LDMOS transistor. A comparison between TCAD simulations and measured
data ofThe purpose of this work was the improvement of charge compensation structures in 4H
Silicon Carbide, such as vertical super-junction or lateral RESURF structures. Lateral
RESURF LDMOS transistors were developed for an application in integrated circuits.
This transistor type provides a high blocking voltage, due to an implanted nitrogen layer
with the functionality of a compensation layer to the p-type epitaxial layer. Different
design parameters were investigated. A maximum breakdown voltage of about 980 V and a
minimum ON-state resistance of about 54 mOhmcm2 were achieved, depending on the design
of the LDMOS transistor. A comparison between TCAD simulations and measured
data of different models regarding the dimensions of the LDMOS transistor was done.
Hereby, design rules were derived for the best electrical behavior of the transistors.
Moreover, simulations predicted that for an optimization of the compensating layer,
figure-of-merit values in the range of 40–50 MW/cm2 can be achieved with
the here presented LDMOS transistor. These values are above average compared to more
sophisticated RESURF designs reported in the literature. As a further improvement of
the compensation mechanism inside the transistor, a second compensating layer can be included. For that, RESURF diodes were fabricated and investigated. An aluminum doped
additional compensating layer was implanted inside a n-type epitaxial layer using
high energy ion implantation with an energy filter technology. For the implantation with
ion energies up to 6.6 MeV, an oxide hard mask with a thickness of approximately 4 µm was developed, providing an ion penetration depth up to 2 µm. The resulting RESURF
diodes were able to block about 700 V. Furthermore, the aspect of a defect-based charge
compensation in aluminum-implanted layers was investigated by Hall Effect measurements
and DLTS. New physical models as fit functions to the measured free charge carrier
density were developed and offered a high fit accuracy. It was found that
defects near the conduction band edge reduce the hole density by approximately 40 %.
Furthermore, defects near the valence band edge (EV + (300–500 meV)) are introduced
by the new models. These defects could be donor- or acceptor-type. For the latter, the
model indicates aluminum-correlated defects. The implanted aluminum ions seem to
occupy one of two energy levels: the known aluminum energy level and a second energy
level located energetically deeper in the band gap. Hereby, the implanted concentration splits in propotion 1:1. By the assumption of acceptor-type defects in the lower half of
the band gap, the compensation degree can reach up to 90 %. In the upper half of the
band gap, five types of defects were detected by DLTS. It was possible to correlate these
defects with some defects labeled in the literature: EH2, IN3, IN4, IN8 and ON defects.…
Author: | Julietta Förthner |
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Persistent identifiers - URN: | urn:nbn:de:bvb:29-opus4-148847 |
Referee: | Tobias Erlbacher |
Advisor: | Tobias Erlbacher |
Document Type: | Doctoral Thesis |
Language: | German |
Year of publication: | 2020 |
Date of online publication (Embargo Date): | 2020/11/04 |
Publishing Institution: | Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) |
Granting institution: | Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät |
Acceptance date of the thesis: | 2020/10/21 |
Release Date: | 2020/11/09 |
Tag: | Ladungskompensation; RESURF; Siliziumkarbid |
Institutes: | Technische Fakultät |
Dewey Decimal Classification: | 6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 62 Ingenieurwissenschaften / 621 Angewandte Physik |
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Licence (German): |