Defekt-basierte Modellierung von SiC Bauelementen

Siliziumkarbid (SiC) besitzt viele Eigenschaften die es zu einem hervorragenden Material für den Einsatz in der Leistungselektronik machen. SiC hateine große Bandlücke, zeigteinegrößere Durchbruchsfeldstärke alsSilizium,eine gutethermische Leitfähigkeit,eine hohe Sättigungsgeschwindigkeit und eine ausreichend hohe Beweglichkeit. Darüber hinaus erlaubt die natürliche Bildung eines Oxids auf SiC dessen Verwendung in Metall-Oxid-Halbleiter Bauelementen. Die Beweglichkeit der Ladungsträger an der Oberfläche von SiC ist jedoch deutlich geringer als im SiC Material selbst, was die breite Kommerzialisierung von SiC erschwert. Die geringe Oberflächenmobilität ist jedoch keine Materialeigenschaft von SiC, sondern ist auf Defekte an den Grenzflächen zwischen SiC und SiO2 zurückzuführen. Diese Defekte verursachen auch Hysteresen in Strom-Spannungs (I-V) Charakteristiken, Spannungs-Temperatur Instabilitäten (BTI) und die Degradation durch heiße Ladungsträger (HCD). Um das volle Potential von SiC Tranistoren auszuschöpfen und Prozesse die die Zuverlässigkeit beeinflussen zu verstehen bedarf es einer genauen Beschreibung von Defekten an der Grenzfläche zwischen SiC und SiO2. Eine konsistente physiklische Beschreibung der zugrundeliegenden mikroskopischen Defekte, über den idealen Transistior hinaus, ist daher notwendig um all diese Mechanismen modellieren zu können. Die Entwicklung und Validierung einer solchen physikbasierten Beschreibung ist das primäre Ziel dieses Projekts. Dabei werden die Effekte, die die Zuverlässigkeit beeinträchtigen, konsistent durch Defekte und deren Vorstufen an Grenzflächen und in Oxiden beschrieben und deren Ladung und Aktivierung durch verschiedene treibende Kräfte behandelt. Die grundlegende Annahme hierbei ist, dass Defekte im Oxid die Ursache für das Temperaturverhalten, die Hysterese von I-V Charakteristiken und BTI sind, und somit eine umfassende und konsistente Beschreibung dieser Phänomene erlauben. Zusätzlich wird der Einfluss von Defekten an der Grenzfläche auf diese Phänomene überprüft. Defekte an der Grenzfläche werden mittels der Shockley-Read-Hall Theorie modelliert, während Defekte im Oxid durch unser Four-State Non-Radiative Multi-Phonon Modell beschrieben werden. Wesentliches Unterscheidungsmerkmal dieser Defekttypen sind deren Zeitkonstanten die den Ladungsträgereinfang und ihre Abgabe beschreiben. Für HCD sind beide Defekttypen verantwortlich und entsprechend wird deren Zusammenspiel sorgfältig untersucht. Darüber hinaus werden die Defekteigenschaften sowohl über die Optimierung der Modellparameter, als auch mittels der Zeitkonstanten der Defekte charakterisiert und die Ergebnisse dieser beiden Methoden mit Resultaten von ab initio Berechnungen verglichen. Diese defektbezogene Betrachtung erlaubt eine umfassende Beschreibung der Degradationsmechanismen und ermöglicht die Voraussage der Alterung mittels Simulationen. Die extrahierten Defekteigenschaften sind von großem Interesse für die angewandte Physik, die Materialwissenschaften und für die Elektrotechnik. Dementsprechend werden die Resultate mit der wissenschaftlichen Gemeinschaft geteilt und die Modelle über die Portale des Gastinstituts zugänglich gemacht.

Die einzigartigen Eigenschaften von Siliziumkarbid (SiC), darunter seine breite Bandlücke, sein relativ hohes elektrisches Durchbruchsfeld, seine hohe Sättigungsgeschwindigkeit und seine relativ hohe Bulk-Mobilität, machen es zu einer attraktiven Wahl für viele Anwendungen, insbesondere im Bereich der Hochleistungselektronik. Seine Fähigkeit, ein natives Oxid mit einer relativ geringen Defektdichte zu erzeugen, ermöglicht die Entwicklung von Metalloxid-Halbleiter-Bauelementen auf dieser Basis. Die Entwicklung und Kommerzialisierung von Bauelementen auf breiter Basis ist jedoch aufgrund verschiedener ungelöster Probleme noch nicht erreicht worden. Obwohl der Ladungstransport in SiC-Bulk äußerst gut ist, lässt sich dies nicht auf Bauelemente übertragen, die daraus hergestellt werden. Dieser Effekt wird vornehmlich auf eine hohe Konzentration von Defekten an der SiC/SiO2-Grenzfläche zurückgeführt. Diese Defekte werden auch für verschiedene andere nachteilige Phänomene verantwortlich gemacht, wie z.B. die Strom-Spannungs-Hysterese (I-V), die Bias-Temperatur-Instabilität (BTI) und die Hot-Carrier-Degradation (HCD). In der internationalen Technologie-Roadmap für Halbleiter (ITRS) werden Bias-Temperatur-Instabilität (BTI) und Hot-Carrier-Degradation (HCD) als die schwierigsten Herausforderungen genannt, die richtig verstanden und modelliert werden müssen. Obwohl schon umfangreiche experimentelle und theoretische Studien zu diesen Phänomenen durchgeführt wurden, gibt es immer noch offene Fragen zum Verständnis der Natur und des Verhaltens von Defekten, die zu BTI und HCD beitragen. Obwohl bei Si-basierten Bauelementen Fortschritte beim Verständnis dieser Probleme gemacht wurden, sowohl einzeln als auch in Verbindung miteinander, kann das Gleiche nicht für SiC-basierte Bauelemente gesagt werden. Ein umfassendes Modell von SiC-Bauelementen, das einen konsistenten Satz mikroskopischer Defektphysik enthält, wäre für die Entwicklung und den Entwurf neuartiger, zuverlässiger SiC-Bauelemente äußerst wünschenswert. Das Hauptziel dieses Projekts war die Entwicklung und Validierung eines solchen physikalisch basierten Modellierungsumgebung, der die Auswirkungen von Grenzflächen- und Oxiddefekten berücksichtigt. Während des Betriebs eines Bauelements können diese Defekte geladen und entladen werden, was sich auf die Elektrostatik des Bauelements und letztlich auf sein Betriebsverhalten auswirkt. Es wurde eine Kombination aus technologiegestütztem Design (TCAD) und atomistischen Simulationen verwendet, um einen Simulationsumgebung zu entwickeln, welche die oben genannten Effekte in SiC-basierten Bauelementen angemessen beschreiben kann. Der von uns entwickelte defektzentrierte Simulationsansatz gewährleistet eine umfassende Beschreibung der Degradations-mechanismen in SiC-Bauelementen und eignet sich daher für prädiktive Zuverlässigkeits-simulationen. Die erzielten Ergebnisse wurden über geeignete Kanäle an die wissenschaftliche Gemeinschaft weitergegeben. Alle diese wichtigen Ergebnisse wurden in hochrangigen Publikationen und Konferenzbeiträgen veröffentlicht.