Leistungsbauelemente

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1 II (Kurs-Nr ), apl. Prof. Dr. rer. nat. Fakultät für Mathematik und Informatik Fachgebiet Elektrotechnik und Informationstechnik ( ) D Hagen 1

2 Gliederung Einleitung Physikalische Grundlagen pn-übergänge Halbleitertechnologie pin-dioden Bipolare Leistungstransistoren Thyristoren IGBT s Schottky-Dioden Leistungs-MOSFETs 2

3 IGBT, Insulated Gate Bipolar Transistor: Weiterentwicklung des vertikalen Leistungs-MOSFETs Vierschicht-Halbleiterelement über Gate gesteuert IGBT-Struktur n + -p-n-p + -Schichtfolge (n-kanal-igbt) gebräuchlichste IGBT-Struktur p + -n-p-n + -Schichtfolge (p-kanal-igbt) Prinzipieller Schichtaufbau n-kanal IGBT: stark p + -dotiertes Wafersubstrat aufgewachsene epitaktische n- oder n -Siliziumschicht p-dotierung (B-Implantation und Eindiffundierung) flache n + -Dotierung an der Oberfläche (Implantation) Prinzipieller Schichtaufbau p-kanal IGBT: stark n + -dotiertes Wafersubstrat Rest wie gehabt (nur mit umgekehrten Dotierungen) 3

4 Maximal erreichbare Strom- und Spannungswerte für verschiedene : Multi-Chip-Packages Aber: IGBTs holen auf! (Abbildung aus Buch von 1999) 4 V. Benda, J. Gowar, D. A. Grant, Power Semiconductor Devices (Wiley, 1999)

5 Maximal erlaubte Stromdichte als Funktion der Schaltfrequenz für verschiedene : Auch hier: IGBTs holen auf! (Abbildung von 1999) 5 V. Benda, J. Gowar, D. A. Grant, Power Semiconductor Devices (Wiley, 1999)

6 Aufbau eines IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor): Schichtfolge: n +, p +, n, p + C Emitter Poly-Silizium-Gate Gateoxid G p + n + n + n Epi-Schicht p + E 6 p + Substrat Kollektor V. Benda, J. Gowar, D. A. Grant, Power Semiconductor Devices (Wiley, 1999)

7 IGBT, Insulated Gate Bipolar Transistor: Ersatzschaltbild(er) eines IGBTs 7 a) Aufbau des IGBTs b) Ersatzschaltbild des IGBTs c) Vereinfachtes Ersatzschaltbild des IGBTs J. Lutz, (Springer, 2006)

8 Funktionsweise des IGBTs (I): Positive Spannung von Kollektor C zum Emitter E Bauelement ist gesperrt Gatespannung U G > Threshold-Spannung U Threshold es bildet sich ein n-kanal unter dem Gate Elektronen fließen zum Kollektor Am kollektorseitigen pn-übergang entsteht Spannung in Flussrichtung Injektion von Löchern aus p-kollektorzone in die niedrig dotierte Mittelzone Erhöhte Ladungsträgerdichte setzt Widerstand der Mittelzone herab Modulation ihrer Leitfähigkeit IGBT einschalten Erzeugung des n-kanals mit Gate IGBT ausschalten Entfernung des n-kanals mit Gate 8

9 Funktionsweise des IGBTs (II): Ersatzschaltbild der 4-Schichtstruktur parasitäre Thyristorstruktur (mit npn-, pnp-teiltransistoren) Über R S wird Emitter des npn-transistors mit seiner Basis kurzgeschlossen sehr kleiner Stromverstärkungsfaktor Bei zu großem Strom npn-transistor wird aufgesteuert parasitärer Thyristor geht in durchgeschalteten Zustand Latch-up (Einrasten) Bauelement kann nicht mehr über das MOS-Gate gesteuert werden Latchen des parasitären Thyristors zerstörender Vorgang R S klein npn-transistor vernachlässigbar 9 J. Lutz, (Springer, 2006)

10 NPT-IBGT (Ausgangskennlinien): I CE : Kollektor-Emitter-Strom V CE : Kollektor-Emitter-Spannung V G : Gate-Spannung 10 V. K. Khanna, IGBT Theory and Design, Wiley (2003)

11 IGBT, Insulated Gate Bipolar Transistor: Kennlinie des IGBT 11 IGBT-Kennlinie gleicht der Kennlinie des MOSFETs Gatespannung U G > Threshold-Spannung U T Kanal öffnet sich IGBT wird im voll durchgesteuerten Bereich betrieben Arbeitspunkt liegt auf der Kennlinie für U G = 15 V J. Lutz, (Springer, 2006)

12 IGBT, Insulated Gate Bipolar Transistor: Vergleich der Kennlinien von IGBT und Bipolartransistor IGBT hat durch seine überlegenen Eigenschaften den Bipolartransistor abgelöst 12 J. Lutz, (Springer, 2006)

13 Prinzipielle Bauformen von IGBTs: IGBTs Laterale IGBTs Vertikale IGBTs Punch-Through* IGBTs Non-Punch-Through IGBTs - Unsymmetrisch - Technologie basiert auf Einsatz dünner Si-Wafer (FZ Si) - Symmetrisch - Technologie basiert auf Abscheidung von EPI-Si-Schichten * ) Punch-Through Verarmungszonen um Emitter- und Kollektorbereiche stoßen zusammen Strom wächst stark mit steigender Kollektor-Emitter-Spannung an schränkt die maximal mögliche Spannung ein (Energiedissipation) hohe Schaltfrequenzen (kleine Transitzeit der Ladungsträger) 13

14 Lateraler IGBT: 14 V. K. Khanna, IGBT Theory and Design, Wiley (2003)

15 Vertikale IGBTs: 15 Non-Punch-Through-IGBT Punch-Through-IGBT (NPT-IGBT) (PT-IGBT) V. K. Khanna, IGBT Theory and Design, Wiley (2003)

16 Non-Punch-Through-IGBT (Feldverlauf): Symmetrische Feldverteilung 16 V. K. Khanna, IGBT Theory and Design, Wiley (2003)

17 Punch-Through-IGBT (Feldverlauf): Unsymmetrische Feldverteilung 17 V. K. Khanna, IGBT Theory and Design, Wiley (2003)

18 IGBT, Insulated Gate Bipolar Transistor: IGBT-Grundtypen: Punch-Through (PT-) IGBT Non-Punch-Through (NPT-) IGBT PT-IGBT Struktur und Feldverlauf mit Buffer-Schicht NPT-IGBT Struktur und Feldverlauf ohne Buffer-Schicht 18 J. Lutz, (Springer, 2006)

19 NPT-IGBT (Stromfluss): 19 V. Benda, J. Gowar, D. A. Grant, Power Semiconductor Devices (Wiley, 1999)

20 IGBT, Insulated Gate Bipolar Transistor: Elektronenkonzentration im Durchlassfall (1200 V NPT-IGBT) Auf der Emitter-Seite (Seite der Zellstrukturen) Ladungsträgerkonzentration stark abgesenkt entspricht dem Verlauf eines pnp-transistors 20 J. Lutz, (Springer, 2006)

21 IGBT, Insulated Gate Bipolar Transistor: Elektronenkonzentration beim Abschalten (zeitabhängig) Abschalten eines Stroms von 80 A/cm 2 (1200 V NPT-IGBT) 21 Strom fließt zum Kollektor hin ab J. Lutz, (Springer, 2006)

22 PT-IGBT (Prozessfolge) (1): IGBTs Ausgangsmaterial: p + -dotierter Si-Wafer (FZ-Si) Waferdicke: d = 300 µm Dotierungskonzentration: N A = cm -3 Aufwachsen von n- (Buffer) und n - -dotierten (Drift) Epi-Si-Schichten Schicht I: N D = cm -3 d = 10 µm Schicht II: N D = cm -3 d = 100 µm In die n - -dotierte EPI-Si-Schicht wird das Bauelement integriert 22 V. K. Khanna, IGBT Theory and Design, Wiley (2003)

23 PT-IGBT (Prozessfolge) (2): IGBTs Feldoxidschicht aufbringen Oxidation bei 1100 C: Dry O 2 WetO 2 DryO 2 Oxiddicke: d = 1 µm Fotolithografieprozess für tiefe die p + -Diffusion (Maske I) 23 V. K. Khanna, IGBT Theory and Design, Wiley (2003)

24 PT-IGBT (Prozessfolge) (3): IGBTs Aufwachsen eines dünnen Streuoxids (d = nm, 1100 C) verhindert z. B. Channeling bei der anschließenden Implantation mit Bor Bor-Implantation (E = 60 kev, D = cm -2 ) 24 V. K. Khanna, IGBT Theory and Design, Wiley (2003)

25 PT-IGBT (Prozessfolge) (4): IGBTs Beseitigung des Streuoxids Ätzen mit Flusssäure (HF) Drive-In der Borionen und Oxidation bei 1100 C: Dry O 2 WetO 2 DryO 2 Oxiddicke: d = 700 nm Eindringtiefe der Borionen: 6 µm 25 V. K. Khanna, IGBT Theory and Design, Wiley (2003)

26 PT-IGBT (Prozessfolge) (5): IGBTs 26 Fotolithografieprozess zur Definition der aktiven Bereiche des Bauelements (Maske II) Gateoxidation bei 1100 C Gateoxiddicke: d = nm Abscheidung einer hoch dotierten Poly-Si-Schicht (d = 500 nm, N D = cm -3 ) V. K. Khanna, IGBT Theory and Design, Wiley (2003)

27 PT-IGBT (Prozessfolge) (6): IGBTs Fotolithografieprozess zur Definition der p-dotierten Basis-Region (Maske III) Aufwachsen eines dünnen Streuoxids (d = nm, 1100 C) 27 V. K. Khanna, IGBT Theory and Design, Wiley (2003)

28 PT-IGBT (Prozessfolge) (7): IGBTs Bor-Implantation (E = 80 kev, D = cm -2 ) Tempern in N 2 Beseitigung des Streuoxids (HF-Ätzen) 28 V. K. Khanna, IGBT Theory and Design, Wiley (2003)

29 PT-IGBT (Prozessfolge) (8): IGBTs 29 Drive-In der Borionen und Oxidation bei 1100 C: Dry O 2 WetO 2 DryO 2 Oxiddicke: d = 500 nm Eindringtiefe der Borionen: 4 µm Fotolithografieprozess für die Emitter-Diffusion (Maske IV) V. K. Khanna, IGBT Theory and Design, Wiley (2003)

30 PT-IGBT (Prozessfolge) (9): IGBTs Aufwachsen eines dünnen Streuoxids (d = nm, 1100 C) Phosphor-Implantation (E = 50 kev, D = cm -2 ) 30 V. K. Khanna, IGBT Theory and Design, Wiley (2003)

31 PT-IGBT (Prozessfolge) (10): IGBTs Tempern in N 2 Beseitigung des Streuoxids (HF-Ätzung) Drive-In der Phosphorionen und Oxidation bei 1100 C: Dry O 2 WetO 2 DryO 2 Oxiddicke: d = 900 nm Eindringtiefe der P-Ionen: 1 µm 31 V. K. Khanna, IGBT Theory and Design, Wiley (2003)

32 PT-IGBT (Prozessfolge) (11): IGBTs 32 Fotolithografieprozess für die Emitter- und Gate-Kontaktfenster (Maske V) Aluminium-Metallisierung Fotolithografieprozess für die Strukturierung der Kontaktmetallisierung V. K. Khanna, IGBT Theory and Design, Wiley (2003)

33 PT-IGBT (Prozessfolge) (12): IGBTs Sintern (450 C in N 2 oder N 2 +H 2 ) Al legiert mit Si Rückkontaktmetallisierung Schichtfolge: Ti Ni Au oder Cr Ni Ag Ti / Cr: d = 300 nm (legiert mit Si, Diffusionsbarriere) Ni : d = 500 nm (lötbarer Kontakt) Au / Ag: d = 200 nm (Korrosionsschutz) SiN-Abscheidung Schutzschicht, Passivierung (CVD, PECVD*) * ) Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition 33 V. K. Khanna, IGBT Theory and Design, Wiley (2003)

34 Gliederung Einleitung Physikalische Grundlagen pn-übergänge Halbleitertechnologie pin-dioden Bipolare Leistungstransistoren Thyristoren IGBT s Schottky-Dioden Leistungs-MOSFETs 34

35 35 Gliederung Pause