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Leistungsbauelem

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& Sensorik

Reinhart Job

Leistungsbauelemente II (Kurs-Nr. 21646)

Reinhart Job, apl. Prof. Dr. rer. nat.

Fakultät für Mathematik und InformatikFachgebiet Elektrotechnik und Informationstechnik

(AG Leistungsbauelemente & Sensorik)D-58084 Hagen

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Reinhart Job

Gliederung

Einleitung

Physikalische Grundlagen

pn-Übergänge

Halbleitertechnologie

pin-Dioden

Bipolare Leistungstransistoren

Thyristoren

IGBT‘sSchottky-Dioden

Leistungs-MOSFETs

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IGBTs

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)

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IGBTs

Maximal erreichbare Strom-

und Spannungswerte für verschiedene Leistungsbauelemente:

Multi-Chip-Packages

Aber: IGBTs holen auf! (Abbildung aus Buch von 1999)

©

V. Benda, J. Gowar, D. A. Grant, Power Semiconductor Devices

(Wiley, 1999)

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IGBTs

Maximal erlaubte Stromdichte als Funktion der Schalt- frequenz

für verschiedene Leistungsbauelemente:

Auch hier: IGBTs holen auf! (Abbildung von 1999)

©

V. Benda, J. Gowar, D. A. Grant, Power Semiconductor Devices

(Wiley, 1999)

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IGBTs

Emitter

Kollektor

p+

Substrat

n⎯

Epi-Schicht

Poly-Silizium-Gate Gateoxid

p+p+

n+n+

Aufbau eines IGBTs

(Insulated

Gate Bipolar Transistor):

→ Schichtfolge: n+, p+, n⎯, p+

G

C

E

©

V. Benda, J. Gowar, D. A. Grant, Power Semiconductor Devices

(Wiley, 1999)

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IGBTs

IGBT, Insulated

Gate Bipolar Transistor:

Ersatzschaltbild(er) eines IGBTs

a)

Aufbau des IGBTs

b)

Ersatzschaltbild des IGBTs

c)

Vereinfachtes Ersatzschaltbild des IGBTs

©

J. Lutz, Leistungsbauelemente (Springer, 2006)

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IGBTs

Funktionsweise des IGBTs

(I):

Positive Spannung von Kollektor C zum Emitter E⇒ Bauelement ist gesperrt

Gatespannung UG > Threshold-Spannung UThreshold→ 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

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IGBTs

Funktionsweise des IGBTs

(II):

Ersatzschaltbild der 4-Schichtstruktur→ parasitäre Thyristorstruktur

(mit npn-, pnp-Teiltransistoren)

Über RS wird Emitter des npn-Transis-tors 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-Gategesteuert werden

⇒ Latchen des parasitären Thyristors → zerstörender Vorgang

RS klein → npn-Transistor vernachlässigbar

©

J. Lutz, Leistungsbauelemente (Springer, 2006)

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IGBTs

NPT-IBGT (Ausgangskennlinien):

ICE

:

Kollektor-Emitter-StromVCE

:

Kollektor-Emitter-SpannungVG

:

Gate-Spannung

©

V. K. Khanna, IGBT – Theory and Design, Wiley (2003)

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IGBTs

IGBT, Insulated

Gate Bipolar Transistor:

Kennlinie des IGBT

IGBT-Kennlinie gleicht der Kennlinie des MOSFETsGatespannung UG > Threshold-Spannung UT⇒ Kanal öffnet sich

IGBT wird im voll durchgesteuerten Bereich betrieben→ Arbeitspunkt liegt auf der Kennlinie für UG = 15 V

©

J. Lutz, Leistungsbauelemente (Springer, 2006)

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IGBTs

IGBT, Insulated

Gate Bipolar Transistor:

Vergleich der Kennlinien von IGBT und Bipolartransistor

IGBT hat durch seine überlegenen Eigenschaften den Bipolartransistor abgelöst

©

J. Lutz, Leistungsbauelemente (Springer, 2006)

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IGBTs

Prinzipielle Bauformen von IGBTs:

*)

Punch-Through

→ Verarmungszonen um Emitter-

und Kollektorbereiche stoßen zusammen

→

Strom wächst stark mit steigender Kollektor-Emitter-Spannung anschränkt die maximal mögliche Spannung ein (Energiedissipation)

☺ hohe Schaltfrequenzen (kleine Transitzeit der Ladungsträger)

Laterale IGBTs Vertikale IGBTs

Punch-Through*IGBTs

Non-Punch-ThroughIGBTs

IGBTs

-

Unsymmetrisch-

Technologie basiert auf Einsatz dünner Si-Wafer (FZ Si)

-

Symmetrisch-

Technologie basiert auf Abscheidung von EPI-Si-Schichten

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IGBTs

Lateraler IGBT:

©

V. K. Khanna, IGBT – Theory and Design, Wiley (2003)

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IGBTs

Vertikale IGBTs:

Non-Punch-Through-IGBT

Punch-Through-IGBT(NPT-IGBT) (PT-IGBT)

©

V. K. Khanna, IGBT – Theory and Design, Wiley (2003)

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IGBTs

Non-Punch-Through-IGBT

(Feldverlauf):

Symmetrische Feldverteilung

©

V. K. Khanna, IGBT – Theory and Design, Wiley (2003)

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IGBTs

Punch-Through-IGBT

(Feldverlauf):

Unsymmetrische Feldverteilung

©

V. K. Khanna, IGBT – Theory and Design, Wiley (2003)

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IGBTs

IGBT, Insulated

Gate Bipolar Transistor:

IGBT-Grundtypen: → Punch-Through (PT-) IGBT → Non-Punch-Through (NPT-) IGBT

PT-IGBT

NPT-IGBT →

Struktur und Feldverlauf

→

Struktur und Feldverlauf

→ mit Buffer-Schicht

→ ohne Buffer-Schicht

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J. Lutz, Leistungsbauelemente (Springer, 2006)

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IGBTs

NPT-IGBT (Stromfluss):

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V. Benda, J. Gowar, D. A. Grant, Power Semiconductor Devices

(Wiley, 1999)

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IGBTs

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

©

J. Lutz, Leistungsbauelemente (Springer, 2006)

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IGBTs

IGBT, Insulated

Gate Bipolar Transistor:

Elektronenkonzentration beim Abschalten (zeitabhängig)→ Abschalten eines Stroms von 80 A/cm2

(1200 V NPT-IGBT)

Strom fließt zum Kollektor hin ab

©

J. Lutz, Leistungsbauelemente (Springer, 2006)

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IGBTs

PT-IGBT (Prozessfolge) (1):

Ausgangsmaterial: p+-dotierter Si-Wafer (FZ-Si)Waferdicke: d = 300 µmDotierungskonzentration: NA = 1⋅1019 cm-3

Aufwachsen von n- (Buffer) und n--dotierten (Drift) Epi-Si-SchichtenSchicht I: ND = 1⋅1016 cm-3

d = 10 µmSchicht II: ND = 1⋅1014 cm-3

d = 100 µmIn die n--dotierte EPI-Si-Schichtwird das Bauelement integriert

©

V. K. Khanna, IGBT – Theory and Design, Wiley (2003)

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IGBTs

PT-IGBT (Prozessfolge) (2):

Feldoxidschicht aufbringen Oxidation bei 1100 °C: Dry O2 – Wet O2 – Dry O2

Oxiddicke: d = 1 µm

Fotolithografieprozess für tiefe die p+-Diffusion (Maske I)

©

V. K. Khanna, IGBT – Theory and Design, Wiley (2003)

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IGBTs

PT-IGBT (Prozessfolge) (3):

Aufwachsen eines dünnen Streu-oxids (d = 30-50 nm, 1100 °C)→ verhindert z. B. Channeling bei

der anschließenden Implanta-tion mit Bor

Bor-Implantation (E = 60 keV, D = 1⋅1016 cm-2)

©

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IGBTs

PT-IGBT (Prozessfolge) (4):

Beseitigung des Streuoxids → Ätzen mit Flusssäure (HF)

″Drive-In″ der Borionen und Oxi-dation bei 1100 °C: Dry O2 – Wet O2 – Dry O2

Oxiddicke: d = 700 nmEindringtiefe der Borionen: 6 µm

©

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IGBTs

PT-IGBT (Prozessfolge) (5):

Fotolithografieprozess zur Definition der aktiven Bereiche des Bauelements (Maske II)

Gateoxidation bei 1100 °CGateoxiddicke: d = 50 – 100 nmAbscheidung einer hoch dotierten Poly-Si-Schicht(d = 500 nm, ND = 1⋅1020 cm-3)

©

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IGBTs

PT-IGBT (Prozessfolge) (6):

Fotolithografieprozess zur Defini-tion der p-dotierten Basis-Region (Maske III)

Aufwachsen eines dünnen Streu-oxids (d = 30-50 nm, 1100 °C)

©

V. K. Khanna, IGBT – Theory and Design, Wiley (2003)

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IGBTs

PT-IGBT (Prozessfolge) (7):

Bor-Implantation (E = 80 keV, D = 1⋅1014 cm-2)

Tempern in N2

Beseitigung des Streuoxids (HF-Ätzen)

©

V. K. Khanna, IGBT – Theory and Design, Wiley (2003)

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IGBTs

PT-IGBT (Prozessfolge) (8):

″Drive-In″ der Borionen und Oxi-dation bei 1100 °C: Dry O2 – Wet O2 – Dry O2

Oxiddicke: d = 500 nmEindringtiefe der Borionen: 4 µm

Fotolithografieprozess für die Emitter-Diffusion (Maske IV)

©

V. K. Khanna, IGBT – Theory and Design, Wiley (2003)

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IGBTs

PT-IGBT (Prozessfolge) (9):

Aufwachsen eines dünnen Streu-oxids (d = 30-50 nm, 1100 °C)

Phosphor-Implantation(E = 50 keV, D = 1⋅1015 cm-2)

©

V. K. Khanna, IGBT – Theory and Design, Wiley (2003)

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IGBTs

PT-IGBT (Prozessfolge) (10):

Tempern in N2

Beseitigung des Streuoxids (HF-Ätzung)

″Drive-In″ der Phosphorionen und Oxidation bei 1100 °C: Dry O2 – Wet O2 – Dry O2

Oxiddicke: d = 900 nmEindringtiefe der P-Ionen: 1 µm

©

V. K. Khanna, IGBT – Theory and Design, Wiley (2003)

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IGBTs

PT-IGBT (Prozessfolge) (11):

Fotolithografieprozess für die Emitter- und Gate-Kontaktfenster(Maske V)

Aluminium-MetallisierungFotolithografieprozess für die Strukturierung der Kontaktmetalli-sierung

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V. K. Khanna, IGBT – Theory and Design, Wiley (2003)

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IGBTs

PT-IGBT (Prozessfolge) (12):

Sintern (450 °C in N2 oder N2+H2) → Al legiert mit SiRückkontaktmetallisierung → 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

©

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Gliederung

Einleitung Physikalische Grundlagen pn-Übergänge Halbleitertechnologie pin-Dioden Bipolare Leistungstransistoren Thyristoren IGBT‘s Schottky-Dioden

Leistungs-MOSFETs

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Gliederung

Pause