leistungsbauelemente ii - fernuniversität in hagen · ⇒parasitärer thyristor geht in...
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AG
Leistungsbauelem
ente
& 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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Reinhart Job
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
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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:
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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)
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V. K. Khanna, IGBT – Theory and Design, Wiley (2003)
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IGBTs
Non-Punch-Through-IGBT
(Feldverlauf):
Symmetrische Feldverteilung
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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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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
©
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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
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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)
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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)
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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)
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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)
©
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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)
©
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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
©
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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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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