Simulation and Modeling of Silicon Carbide Devices

Simulation und Modellierung von Siliziumkarbid-Bauelementen

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus4-61975
  • In den letzten Jahren wurde Siliziumkarbid (SiC) ein attraktives Material für die Leistungselektronik und öffnete wegen seiner überlegenen Materialeigenschaften neue Perspektiven auf diesem Gebiet. Der hohe Bandabstand, die hohe thermische Leitfähigkeit und die hohe Durchbruchfeldstärke machen SiC zum Material der Wahl für Leistungs-MOSFETs.Die Verwendung von SiC MOSFETs in Leistungswandlern erlaubt zum Beispiel eine Verringerung deren Gewicht und Größe. Das kann ein großer Vorteil für viele Anwendungen inklusive Elektroautos sein. Die Fähigkeit von SiC Bauelementen, auch bei hohen Temperaturen zu funktionieren, vereinfacht das Wärmemanagement von elektrischen Systemen. Die kommerzielleIn den letzten Jahren wurde Siliziumkarbid (SiC) ein attraktives Material für die Leistungselektronik und öffnete wegen seiner überlegenen Materialeigenschaften neue Perspektiven auf diesem Gebiet. Der hohe Bandabstand, die hohe thermische Leitfähigkeit und die hohe Durchbruchfeldstärke machen SiC zum Material der Wahl für Leistungs-MOSFETs.Die Verwendung von SiC MOSFETs in Leistungswandlern erlaubt zum Beispiel eine Verringerung deren Gewicht und Größe. Das kann ein großer Vorteil für viele Anwendungen inklusive Elektroautos sein. Die Fähigkeit von SiC Bauelementen, auch bei hohen Temperaturen zu funktionieren, vereinfacht das Wärmemanagement von elektrischen Systemen. Die kommerzielle Nutzung von SiC MOSFETs ist derzeit jedoch durch technologische Probleme begrenzt, die sich in Form von niedrigen Kanalbeweglichkeiten und hohen Einschaltspannungen manifestieren. Der Zweck dieser Doktorarbeit war, durch numerische Simulationen den Mechanismus zu verstehen und zu erklären, der in SiC MOSFETs die Kanalbeweglichkeit bestimmt und eine selbstkonsistente Simulationsmethodologie zur Beschreibung der elektrischen Eigenschaften von SiC MOSFETs zu entwickeln. Für den technologischen Fortschritt, sowie für die Entwicklung und Optimierung von Halbleiterbauelementen ist der rechnergestützte Entwurf von elektronischen Bauelementen und ihrer Herstellung (TCAD – Technology Computer Aided Design) zu einem zunehmend wichtigen Untersuchungswerkzeug geworden. TCAD-Simulationen für SiC-Bauelemente sind aktuell jedoch eine große Herausforderung. Die meisten Simulationsmodelle wurden für Silizium entwickelt und können deshalb die Transporteigenschaften von SiC-Bauelementen nicht adäquat beschreiben. Darüber hinaus ist die Grenzschicht zwischen Siliziumkarbid und Gateoxiden durch eine hohe Konzentration von Haftstellen charakterisiert, die die Kanalbeweglichkeit in SiC-MOSFETs stark degradieren.Deshalb ist ein genaues Modell für die Haftstellen an der Grenzschicht von vorrangiger Bedeutung für die Simulation. Im Rahmen des Projekts MobiSiC (Mobility Engineering for SiC Devices) wurden laterale n-Kanal 4H-SiC MOSFETs hergestellt und elektrisch durch Strom-Spannungs-und Halleffektmessungen charakterisiert. Die Effekte von Temperatur und Substratdotierung auf die Transporteigenschaften im Kanal von SiC MOSFETs wurden untersucht. Die Interpretation sowohl der Strom-Spannungskennlinen (ID(VG)) als auch der aus den Halleffektmessungen abgeleiteten Schichtladungsträgerkonzentrationen und Kanalbeweglichkeiten (ninv(VG),μ(VG)) wurden in dieser Arbeit mit Hilfe numerischer Simulationen mit Sentaurus Device von Synopsys durchgeführt. Zur genauen Analyse der Halleffektmessungen wurde eine neue Methode der Berechnung des Hallfaktors entwickelt. Sie beruht auf der Tatsache, dass sowohl der Hallfaktor als auch die Beweglichkeit von denselben Mechanismen bestimmt werden, durch die die Ladungsträger gestreut werden. Die Berechnungsmethode berücksichtigt alle Streumechanismen im aktiven Bereich der Bauelemente. Auf diese Weise ist es zum ersten Mal möglich, einen genauen Wert für den Hallfaktor für den Kanal von MOSFETs zu berechnen und für die Korrektur der Halleffektmessungen zu verwenden. Experimentelle Daten, z. B. von Halleffektmessungen, werden oft zur Charakterisierung der Dichte von Haftstellen an der Grenzschicht verwendet. In dieser Arbeit wird eine neue Methode vorgeschlagen, die eine genauere Charakterisierung erlaubt. In einem ersten Schritt werden Haftstellendichten als Funktion der Energie (DIT(ET)) von Halleffekt- und Kapazitäts-Spannungsmessungen auf konventionelle Art extrahiert. Danach werden sie in Sentaurus Device eingegeben und numerisch optimiert um die Abweichungen zwischen den simulierten Kennlinien (ID(VG), ninv(VG) und μ(VG)) und den Messungen zu minimieren. Die numerische Simulation erlaubt, Effekte wie z.B. die Potentialverteilung zwischen Source und Drain sowie die Fermi-Dirac-Verteilung der Elektronen zu berücksichtigen. Solche Effekte bleiben bei der konventionellen Extraktion der Haftstellendichte unberücksichtigt. Es ist deshalb zu erwarten, dass die neue Methode physikalisch schlüssigere Ergebnisse für Haftstellendichte DIT(ET)liefert.Basierend auf den experimentellen Ergebnissen und den Simulationen werden Ursprung und Natur der Grenzflächenhaftstellen diskutiert. Die Simulationsmethodologie, in die die Methode der Berechnung von Hallfaktoren und die Methode der Extraktion der Haftstellendichte eingingen, konnte konsistent die Temperaturabhängigkeit sowie die Konzentrationsabhängigkeit der Transporteigenschaften der in dieser Arbeit betrachteten SiC MOSFETs beschreiben. Auf der Basis der guten Übereinstimmung zwischen Simulationen und Messungen konnten die Streumechanismen im Kanal von SiC MOSFETs mit unterschiedlichen Dotieratomkonzentrationen und bei unterschiedlichen Temperaturen umfassend interpretiert werden. Eine der Haupterkenntnisse dieser Arbeit ist, dass eine Verringerung der Grenzflächenhaftstellendichte nicht der einzige Faktor zur Verbesserung der Eigenschaften von SiC MOSFETs ist. Ihre Eigenschaften können z.B. auch durch eine Verringerung der Kanaldotierung erheblich verbessert werden. Weiterhin wurde gefunden, dass die Konzentration der Kanaldotierung die Temperaturabhängigkeit der Kanalbeweglichkeit beeinflusst: Bei hochdotierten MOSFETs steigt sie mit der Temperatur während sie sich bei niedrig dotierten MOSFETs verringert.show moreshow less

Download full text files

Export metadata

Additional Services

Share in Twitter Search Google Scholar Statistics
Metadaten
Author:Viktoryia Uhnevionak
Persistent identifiers - URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus4-61975
Referee:Peter Pichler, Robert Weigel
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of publication:2015
Date of online publication (Embargo Date):2015/04/23
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Acceptance date of the thesis:2015/10/03
Release Date:2015/05/04
SWD-Keyword:Wide-gap-Halbleiter, Siliciumcarbid, Simulation, n-Kanal-FET, Hall-Beweglichkeit, Haftstelle
Length/size:1-146
Institutes:Technische Fakultät
CCS-Classification:I. Computing Methodologies / I.6 SIMULATION AND MODELING (G.3) / I.6.4 Model Validation and Analysis
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 53 Physik / 530 Physik
6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 60 Technik / 600 Technik, Technologie
MSC-Classification:65-XX NUMERICAL ANALYSIS / 65Zxx Applications to physics / 65Z05 Applications to physics
PACS-Classification:80.00.00 INTERDISCIPLINARY PHYSICS AND RELATED AREAS OF SCIENCE AND TECHNOLOGY / 89.00.00 Other areas of applied and interdisciplinary physics / 89.20.-a Interdisciplinary applications of physics / 89.20.Bb Industrial and technological research and development
open_access (DINI-Set):open_access
Licence (German):Keine Creative Commons Lizenz - es gilt der Veröffentlichungsvertrag und das deutsche Urheberrecht