Halbleiterbauelemente spielen in den verschiedensten
Anwendungsbereichen eine bedeutende Rolle. Technologische Fortschritte,
Anforderungen von Kunden und nicht zuletzt der Kostendruck führen zu immer
höheren Packungsdichten. Weiters werden häufig High-Voltage Bauelemente
mit hoch integrierten digitalen Schaltkreisen auf einem Siliziumchip zu
sogenannten Smart-Power Bauelementen vereint. Um die Anforderungen bei
der stetig steigenden Komplexität der Bauelemente erfüllen zu können, ist der
Einsatz von Simulationssoftware erforderlich. Dabei handelt es sich um so
genannte Technology Computer-Aided Design (TCAD) Tools.
Aus der Reihe von verfügbaren High-Voltage Bauelementen
konzentriert sich diese Arbeit auf Feldeffekttransistoren mit
Betriebsspannungen zwischen 5 und 60V. Die wichtigsten Transistortypen
sowie Designtechniken werden vorgestellt. Eine hohe Zuverlässigkeit dieser
Bauteile ist für die Halbleiterindustrie von essenzieller Bedeutung, weswegen
in dieser Arbeit die für die Degradation relevanten physikalischen Prozesse
erörtert werden. In High-Voltage Bauelementen zählen Mechanismen in
Verbindung mit heißen Ladungsträgern zu den wichtigsten Verursachern von
Zuverlässigkeitsproblemen. Daher widmet sich diese Arbeit den beiden Prozessen
Stoßionisation und Hot-Carrier Degradation und untersucht die Prozesse
vor allem aus dem Blickwinkel der Modellierung und Simulation. Hierbei wird im
speziellen mit dem Drift-Diffusionsmodell gearbeitet und dabei werden die
Möglichkeiten sowie Grenzen dieses Modells aufgezeigt.
Der erste durch heiße Ladungsträger verursachte Prozess, der in
dieser Dissertation behandelt wird, ist die Stoßionisation. Die Relevanz für
die Zuverlässigkeit im Bereich der Smart-Power Bauelemente wird anhand
einer Simulationsstudie über das Snap-Back Verhalten aufgezeigt und
mögliche Optimierungen werden diskutiert. Beim zweiten in dieser Arbeit
behandelten Prozess, der Hot-Carrier Degradation, wird im Besonderen auf
einen neuen, auf die Verteilungsfunktion der Ladungsträger basierenden Ansatz
eingegangen. Da die vollständige Berechnung der Verteilungsfunktion aus der
Boltzmannschen Transportgleichung sehr zeitintensiv ist, erscheint der Nutzen
dieses Modells für die Industrie derzeit noch gering. Als Alternative dazu
werden in dieser Arbeit Ansätze, die auf dem Drift-Diffusionsmodell basieren,
untersucht, welche für die maßgeblichen Bauelemente gute Ergebnisse liefern.
Bei der Simulation von High-Voltage Bauelementen kommt
es oft zu numerischen Problemen, im Besonderen bei der Berücksichtigung der
Stoßionisation.
Für eine akkurate Modellierung dieses Prozesses im Drift-Diffusionsmodell ist
eine passende Diskretisierung von Vektorgrößen von essenzieller Bedeutung.
In dieser Arbeit wird daher der Einfluss verschiedener Verfahren für die
Vektordiskretisierung auf das Konvergenzverhalten und die erzielte
Genauigkeit untersucht.