Monolithisches RC-Element für leistungselektronische Anwendungen

Monolithic RC-snubber for Power Electronic Applications

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus-28305
  • In der vorliegenden Arbeit wurden monolithische RC-Elemente für die Leistungselektronik entwickelt, welche den Stand der Technik in Bezug auf Bauelementeigenschaften und erwartete Herstellungskosten übertreffen. Für die Herstellung der RC-Elemente wurden Löcher in einer Siliciumscheibe erzeugt und darauf MIS-Kondensatoren durch Abscheidung verschiedener dielektrischer Schichten und einer Metallisierung aufgebaut. Zunächst wurde eine Modellbildung durchgeführt, um eine optimale Anordnung der Löcher auf der Siliciumscheibe und einen optimalen Lochdurchmesser für eine maximale Vergrößerung der Kapazität bei einer gegebenen Grundfläche zu erreichen. Durch eine Prozesssimulation wurden dieIn der vorliegenden Arbeit wurden monolithische RC-Elemente für die Leistungselektronik entwickelt, welche den Stand der Technik in Bezug auf Bauelementeigenschaften und erwartete Herstellungskosten übertreffen. Für die Herstellung der RC-Elemente wurden Löcher in einer Siliciumscheibe erzeugt und darauf MIS-Kondensatoren durch Abscheidung verschiedener dielektrischer Schichten und einer Metallisierung aufgebaut. Zunächst wurde eine Modellbildung durchgeführt, um eine optimale Anordnung der Löcher auf der Siliciumscheibe und einen optimalen Lochdurchmesser für eine maximale Vergrößerung der Kapazität bei einer gegebenen Grundfläche zu erreichen. Durch eine Prozesssimulation wurden die geätzten Löcher insbesondere in Hinblick auf die Oberflächenrauhigkeit und die Schichteigenschaften der dielektrischen Schichten in den Löchern untersucht. Darauf aufbauend wurde eine Simulation der elektrischen Eigenschaften der RC-Elemente durchgeführt, um eine Vorhersage der elektrischen Feldverteilung und der Kapazität sowie des Serienwiderstandes der Bauelemente zu erhalten. Für die Herstellung der RC-Elemente wurde ein Prozess entwickelt und die einzelnen Prozessschritte optimiert. Insbesondere wurden die Parameter des Ätzschritts zur Erzeugung von Löchern mit hohem Aspektverhältnis in Siliciumscheiben untersucht. Die Konformität und die Inhomogenität verschiedener erzeugter dielektrischer Schichten wurde bestimmt und mit den elektrischen Eigenschaften der RC-Elemente korreliert. Die elektrische Charakterisierung der RC-Elemente erfolgte anhand der Isolatorkapazität, der Spannungsfestigkeit, des Serienwiderstandes und der Temperaturkoeffizienten der Kapazität und des Serienwiderstandes. Das erfolgversprechendste Ergebnis hinsichtlich der erreichten Kapazität und der Spannungsfestigkeit wurden mit einem dielektrischen Schichtstapel aus 15 nm SiO2 und 508 nm Si3N4 erzielt: Der Wert der Kapazität war hier 1,5 nF/mm2, die Spannungsfestigkeit lag im Breich von 500 V. Damit sind die RC-Elemente geeignet für leistungselektronische Anwendungen. Der Temperaturkoeffizient der Kapazität war hier mit 85 ppm/°C sehr gering gegenüber vergleichbaren diskret aufgebauten RC-Elementen. Weiterhin ermöglicht die niedrige parasitäre Serieninduktivität der RC-Elemente die niederinduktive Ankopplung an einen zu dämpfenden Leistungsschalter.show moreshow less
  • In this work, a monolithic RC snubber for power electronics was developed that outperformed the state of the art in terms of characteristic electrical device parameters. For the production of the RC snubbers, trench holes were introduced in a silicon wafer and by deposition of various dielectrics and a metal contact, MIS capacitors were manufactured. A model for the optimum arrangement of the trench holes on the silicon wafer and the optimum trench hole diameter to achieve a maximum enlargement of the capacitance per consumed silicon surface area was developed. A process simulation of the etched trench holes was conducted to investigate the surface roughness and the dielectric layerIn this work, a monolithic RC snubber for power electronics was developed that outperformed the state of the art in terms of characteristic electrical device parameters. For the production of the RC snubbers, trench holes were introduced in a silicon wafer and by deposition of various dielectrics and a metal contact, MIS capacitors were manufactured. A model for the optimum arrangement of the trench holes on the silicon wafer and the optimum trench hole diameter to achieve a maximum enlargement of the capacitance per consumed silicon surface area was developed. A process simulation of the etched trench holes was conducted to investigate the surface roughness and the dielectric layer properties in the trench holes. Based on the process simulation results, device simulations were performed to predict the electrical field distribution and the capacitance as well as the series resistance of the devices. To realize the RC snubber, a process was developed and the individual process steps were optimized. Especially, the parameteres of the etch process for the creation of the high aspect ratio trench holes in the silicon wafers were investigated. The conformity and the uniformity of various dielectric layers were identified and correlated with the electrical properties of the RC snubbers. The electrical characterization of the RC snubbers was done regarding the insulator capacitance, the breakdown voltage, the series resistance, and the temperature coefficients of the capacitance as well as the series resistance of the RC snubber. A promising trade-off between the achieved capacitance and the breakdown voltage were accomplished with a dielectric stack of 15 nm SiO2 and 508 nm Si3N4. The capacitance was 1,5 nF/mm2, the break down voltage was in the range of 500 V. Therefore, the RC snubbers are suitable for power electronic applications. The temperature coefficient of the capacitance was 85 ppm/°C. Compared to discrete RC snubbers for similar applications, this value is very low. Furthermore, the low parasitic series inductance allows for a low inductive coupling to the power switch to be attenuated.show moreshow less

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Metadaten
Author:Joachim Vom Dorp
Persistent identifiers - URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus-28305
Advisor:Heiner Ryssel
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of publication:2011
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Acceptance date of the thesis:2011/08/09
Release Date:2011/09/23
Tag:-
SWD-Keyword:RC-Netzwerk; Integrierte Schaltung; Leistungselektronik; Dielektrikum; Siliciumdioxid; Siliciumnitrid; Trockenätzen
Institutes:Technische Fakultät / Technische Fakultät -ohne weitere Spezifikation-
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 62 Ingenieurwissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
PACS-Classification:70.00.00 CONDENSED MATTER: ELECTRONIC STRUCTURE, ELECTRICAL, MAGNETIC, AND OPTICAL PROPERTIES / 73.00.00 Electronic structure and electrical properties of surfaces, interfaces, thin films, and low-dimensional structures (for electronic structure and electrical properties of superconducting films and low-dimensional structures, see 74.78.-w; for computational / 73.40.-c Electronic transport in interface structures / 73.40.Gk Tunneling (for tunneling in quantum Hall effects, see 73.43.Jn)
70.00.00 CONDENSED MATTER: ELECTRONIC STRUCTURE, ELECTRICAL, MAGNETIC, AND OPTICAL PROPERTIES / 73.00.00 Electronic structure and electrical properties of surfaces, interfaces, thin films, and low-dimensional structures (for electronic structure and electrical properties of superconducting films and low-dimensional structures, see 74.78.-w; for computational / 73.40.-c Electronic transport in interface structures / 73.40.Qv Metal-insulator-semiconductor structures (including semiconductor-to-insulator)
70.00.00 CONDENSED MATTER: ELECTRONIC STRUCTURE, ELECTRICAL, MAGNETIC, AND OPTICAL PROPERTIES / 73.00.00 Electronic structure and electrical properties of surfaces, interfaces, thin films, and low-dimensional structures (for electronic structure and electrical properties of superconducting films and low-dimensional structures, see 74.78.-w; for computational / 73.50.-h Electronic transport phenomena in thin films (for electronic transport in mesoscopic systems, see 73.23.-b; see also 73.40.-c Electronic transport in interface structures; for electronic transport in nanoscale materials and structures, see 73.63.-b)
70.00.00 CONDENSED MATTER: ELECTRONIC STRUCTURE, ELECTRICAL, MAGNETIC, AND OPTICAL PROPERTIES / 73.00.00 Electronic structure and electrical properties of surfaces, interfaces, thin films, and low-dimensional structures (for electronic structure and electrical properties of superconducting films and low-dimensional structures, see 74.78.-w; for computational / 73.61.-r Electrical properties of specific thin films (for optical properties of thin films, see 78.20.-e and 78.66.-w; for magnetic properties of thin films, see 75.70.-i) / 73.61.Ng Insulators
open_access (DINI-Set):open_access