Kurzfassung

ELEKTRONISCHE Bauelemente und Schaltkreise, die auf "wide bandgap" Halbleitermaterialien, vor allem Siliziumkarbid (SiC), basieren, werden für die Verwendung in Hochtemperatur-, Hochleistungs- und strahlungs-intensiven Anwendungen, für die konventionelle Halbleiter nicht geeignet sind, untersucht. Die deutlich besseren Eigenschaften von Siliziumkarbid unter diesen extremen Umweltbedingungen lassen beeindruckende Verbesserungen für eine Reihe von Anwendungen erwarten. Diese reichen von Hochspannungsschaltern in der Elektrizitätswirtschaft zu Elektromotoren, Mikrowellenelektronik für Radar and nachrichtentechnische Applikationen, oder Sensoren und Steuerungselektronik für moderne Verbrennungsmotoren. Neben den theoretischen Vorzügen von SiC, die erst in praktischen Bauelementen verwirklicht werden müssen, nimmt die numerischen Simulation dieses Halbleitermaterials eine wichtige Rolle für den Entwurf und die Optimierung moderner Leistungsbauelemente ein.

Zunächst wird die Technologie der SiC Halbleiter kurz beschrieben. Die 3C-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC und 15R-SiC Polytypen werden für die Entwicklung von Bauelementen am häufigsten herangezogen. Diese Polytypen werden durch die Stapelsequenz der SiC Schichten charakterisiert. Eine Änderung der Stapelsequenz hat einen starken Einfluss auf die elektrischen Eigenschaften. Da die hexagonalen Polytypen aus gestapelten Doppelschichten bestehen sind die elektrischen Eigenschaften unterschiedlich für Richtungen parallel und normal zur c-Achse. Das Ausmaß dieser Anisotropie wird durch den Quotienten eines Parameterwertes entlang der Achsen gemessen.

Einzig 4H- und 6H-SiC Polytypen sind als Substratmaterial kommerziell erhältlich. Wichtige Faktoren, die das Kristallwachstum und die Herstellung der Bauelemente sowie deren Betrieb in Hochtemperatur-, Hochleistungs- und Hochfrequenzanwendungen beeinflussen, werden identifiziert. Unterschiede zwischen SiC Technologie und der weit verbreiteten Silizium VLSI Technologie werden besprochen. Leistungskenngrößen der SiC Bauelemente werden für verschiedene Applikationen gezeigt.

Es wird eine umfassende und systematische Modellentwicklung basierend auf jüngsten Forschungsergebnissen und publizierten Messdaten vorgenommen. Aufgrund der Anisotropie der Kristallstruktur sind die Beweglichkeit $\mu$, die Permittivität $\varepsilon$ und die Leitfähigkeit $\kappa$ Tensoren. Diese Tensoren sind diagonal mit zwei unabhängigen Komponenten parallel und normal zur c-Achse. Eine tensorielle Form der Poissongleichung wird adaptiert, um die Implementierung in den Bauelementsimulator MINIMOS-NT mit dem gleichen Diskretisierungsschema wie im Fall konventioneller Transportgleichungen zu ermöglichen.

Die bestgeeigneten Dotierungsstoffe in 4H- und 6H-SiC haben Aktivierungsenergien, die bei Raumtemperatur höher als die thermische Energie ${\mathrm{k_B}}T$ sind. Durch die unsymmetrische Platzierung der Dopanden, mit kubischer und hexagonaler Umgebung, werden platzierungsabhängige Störstellenenergien verursacht. Dies erfordert ein Modell, welches die unvollständige Ionisierung der Störstellen erlaubt, abhängig von der Temperatur und dem verwendeten Polytyp. Eine Vielzahl anderer SiC-spezifischer Modelle zur Beschreibung der Bandstuktur, der Shockley-Read-Hall oder Auger Rekombination, der temperatur- oder feldabhängigen Stoßionisation, sowie Abhängigkeiten der Beweglichkeit von der Störstellenkonzentration, der Gittertemperatur, der Ladungsträgerkonzentration, der Ladungsträgerenergie oder dem elektrischen Feld wurden implementiert.

Die Modelle werden an Hand moderner SiC Gleichrichter, Schalter, und Hochfrequenztransistoren getestet. Drei Klassen von SiC Gleichrichtern werden untersucht: Die Schottky Diode, die hohe Schaltfrequenzen erlaubt aber unter hohen Leckströmen leidet, die PiN Diode, die extrem geringen Leckstrom hat aber einen hohen Spannungsabfall im eingeschalteten Zustand zeigt, und schließlich die PiN-Schottky Diode, die Schottky-artige Charakteristiken im eingeschalteten Zustand, aber PiN-artige Leckströme zeigt.

Weiters werden drei Arten unipolarer Transistoren simuliert. UMOSFET Bauelemente, die ersten unipolaren Transistoren die in SiC gebaut wurden, zeigen gute Leitungs- und Sperrcharakteristik, leiden jedoch unter Problemen wie etwa der geringen Beweglichkeit in der Inversionsschicht und der Verdrängung des elektrischen Feldes an den Kanten. Die DMOSFET Struktur verspricht eine höhere Beweglichkeit in der Inversionsschicht durch Verwendung von n-dotierten Schichten entlang der Oxid-Halbleiter Grenzschicht. Die ACCUFET Struktur wird vorgestellt, bei der durch das Hinzufügen einer n-dotierten Schicht unter der Grenzfläche zwischen Halbleiter und Oxid eine höhere Beweglichkeit in der Inversionsschicht als in UMOSFET und DMOSFET Bauelementen erreicht werden kann.

Schließlich werden die implementierten Modelle an Hand von Hochfrequenztransistoren getestet. Sowohl die Gleichspannungs- als auch die Hochfrequenzcharakteristik eines 4H-SiC MESFET wird untersucht. Eine exzellente Übereinstimmung zwischen den Simulationsergebnissen und den Messergebnissen wird gefunden. Dadurch wurden die Vorteile von SiC für Hochleistungs-Mikrowellen Anwendungen gezeigt.

T. Ayalew: SiC Semiconductor Devices Technology, Modeling, and Simulation