Wide-Bandgap Devices

Der Lehrstuhl für Elektronische Bauelemente forscht an Bauelementen und elektronischen Systemen basierend auf Substraten mit hohem Bandabstand (wide-band-gap materials). Zu diesen Materialien zählt neben Siliciumcarbid (SiC) auch Galliumnitrid (GaN).

Insbesondere die Herstellung und Charakterisierung von Leistungsbauelementen für Spannungsklassen über 1000 V auf Siliciumcarbid-Substraten ist ein Schwerpunkt des Lehrstuhls. Aufgrund seines im Vergleich zu Silicium deutlich höheren Bandabstandes von über 3 eV bietet SiC die Möglichkeit, Bauelemente für Hochtemperatur- und Hochspannungsanwendungen zu verwirklichen. Neben den Prozessgeräten der Silicium-Technologie stehen dem LEB Anlagen zur Verfügung, die speziell auf die Anforderungen bei der Herstellung von SiC-Bauelementen abgestimmt sind (z.B. Hochtemperaturofen zur Aktivierung von Dopanden bis  1900 °C). Neben Untersuchungen zu ausgewählten Prozesssequenzen (z.B. dem Ausheilverhalten von implantierten Schichten in 4H-SiC oder dem Oxidationsverhalten von SiC) wurden in den vergangenen Jahren vor allem Forschungsarbeiten im Bereich neuartiger SiC-Leistungsschalter sowie der SiC-Prozessintegration durchgeführt. Für die Realisierung verlustarmer unipolarer Leistungshalbleiterbauelemente werden laterale Ladungskompensationsstrukturen auf SiC untersucht. Darüber hinaus werden am Lehrstuhl neuartige  UV-Photodioden auf SiC erforscht und entwickelt. Die halbleitertechnologischen Experimente werden durch entsprechende Prozess- und Bauelementesimulationen unterstützt. Aus den hergestellten SiC-Bauelementen werden Modellparameter für die Schaltungssimulation eruiert. 

In weiteren Forschungsarbeiten wurden am Lehrstuhl GaN-Leistungsbauelemente statisch und dynamisch charakterisiert. Auf der Basis der dynamischen Kenndaten erfolgt eine simulative Abschätzung der unter gegebenen Wirkungsgradanforderungen möglichen Schaltfrequenzen in einem isolierenden DC/DC-Wandler. Zudem wird eine angepasste Aufbau- und Verbindungstechnik für GaN-Leistungsbauelemente entwickelt.

Projects:

Process optimization to increase yield of unipolar 4H-SiC Power Devices

Ausbeute spielt eine wichtige Rolle in der Halbleiterindustrie. In denletzten Jahren entwickelte sich auf dem Markt fürLeistungshalbleiterbauelemente ein immer stärker wachsender Anteil derHalbleitermaterialsystemen mit weiter Bandlücke, insbesondere Siliciumcarbid(SiC). Aufgrund seiner diversen Vorteile wird SiC immer wichtiger in derLeistungselektronik. In dieser, im Vergleich zur Silicium-Technologie, nochjungen Technologie, gibt es noch einige Mechanismen, die zu verringerterAusbeuten und ve…

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HT CMOS: Towards reliable high-temperature stable SiC CMOS technology - concepts, challenges and solutions

This work aims to enable a high-temperature stable 4H-SiC technology to fabricate CMOS devices.

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SiC-DCBreaker: Monolithisch integrierter Überstromschutzschalter basierend auf 4H-SiC JFET Technologie

Im Rahmen des Forschungsprojekts soll eine halbleiterbasierte elektrische Sicherung entwickelt, hergestellt und charakterisiert werden. Hierfür wird zunächst mithilfe von analytischer und numerischer Modellierung eine (Bauelement-) Zelltopologie konzipiert, die zur monolithischen Integration des Prinzips "thyristor dual" geeignet ist. Da JFETs für die Umsetzung des "thyristor dual" von Vorteil sind, wird im Anschluss die Realisierbarkeit einer 4H-SiC JFET Technologie innerhalb der am LEB/IISB zur…

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Modeling and Verification of 4H-SiC TrenchMOS integration using Trench-First-Technology

Penetration of silicon carbide (SiC) power devices has recently begun in a lot of advanced power electronics applications like automotive traction inverters. A trench gate MOSFET is a proven alternative power device to the conventional planar structure due to vertical channels, which allows primarily higher cell density without JFET region and the high cell integration ultimately saves chip costs. In general, a conventional manufacturing process involves the use of a lithography mask, in which the device can be patterned by defining accordingly resist structures and areas not covered by photoresist. Thus, it is crucial to achieve the high resolution and precise alignment for a mask-conforming structure that is significantly related to systemic limitations causing further high costs. Because of technical demands of mask-aligned lithography causing high costs and the given technological limitations of the lithography systems, a self-aligned manufacturing process is favorable in this case as ion implantation process for trench MOSFETs.

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Empirical modell of low ohmic Ni contact formation on n-type 4H-SiC by laser annealing

In this work, nickel-based ohmic
contacts were fabricated on the C-side of n-doped 4HSiC substrates using
a short-time pulse laser, electrically characterized and analytically
investigated to understand the underlying formation mechanisms compared
to classical RTP. To obtain conclusions about the prevailing
temperatures from the laser fluence used during alloying, a thermal
simulation was created in COMSOL. This makes it possible to describe the
silicidation mechanisms during laser processing in a
temperature-dependent and thus system-independent manner.

For the fabrication of the ohmic contacts, the focus of the work was on the use of nickel layers, since these represent the most common metallization for low-resistance contacts on n-doped 4H-SiC. In order to evaluate the influence of different laser parameters on the contact formation mechanisms and the electrical properties of ohmic contacts, several sets of samples were prepared. The variation of the laser fluence was in the focus of the work, but also investigations on different surface pre-treatments, laser pulse durations, pulse overlaps and metallization compositions were performed.

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Novel Approach to SiC Power Device Fabrication: High-Purity Semi-insulating Substrates Doped by Energy-Filtered Ion Implantation

Abstract zu:

Novel Approach to SIC Power Device Fabrication: High-Purity Semi-insulating Substrates Doped by Energy-Filtered Ion Implantation

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Optimierung der elektrischen Eigenschaften von 4H-SiC-Leistungshalbleitern
mittels „Trench“-Struktur

In this work, the influence of a trench structure on the electrical performance of 4H-SiC power diodes is investigated.

With its outstanding properties like wide bandgap and high critical electrical field strength, silicon carbide (SiC) is a very attractive choice for power semiconductor devices. One of the most common and fundamental devices on SiC are Schottky diodes. To fulfill todays requirements of high performance power modules, continuous development of power devices like SiC Schottky …

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An Approach for the Characterization of the Adhesion Strength Degradation of Semiconductor's Thin Film Metallizations

The research project is being worked on as part of a PhD project in collaboration with the Fraunhofer Institute for Integrated Systems and Device Technology (IISB).

In this project a method to characterize the adhesion strength of thin film metallization on semiconductors is developed first. Furthermore, the degradation behavior of the adhesion strength of thin film metallization is investigated and characterized for the first time.

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Contact Persons:

Participating Scientists: