Entwicklung und Charakterisierung von integrierten Schaltungen auf Siliciumcarbid für den Betrieb bei hohen Temperaturen
Seiten
2011
|
1., Aufl.
Shaker (Verlag)
978-3-8440-0614-8 (ISBN)
Shaker (Verlag)
978-3-8440-0614-8 (ISBN)
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Elektronische Schaltungen aus Siliciumcarbid (SiC) können aufgrund der großen Bandlücke des Materials bei Temperaturen oberhalb von 300°C betrieben werden. Dadurch erschließen sich Anwendungen, die bisher nicht mit Schaltkreisen aus Silicium möglich sind. Als wichtigstes Beispiel ist die direkte Integration von Sensoren in heissen Umgebungen mit elektronischen Schaltungen zu nennen. Eine Signalaufbereitung am Einbauort des Sensors oder der Aufbau von Regelschleifen mit direkter Rückkopplung führen dabei zu deutlichen Systemvorteilen.
Aufgrund vielfältiger Schwierigkeiten bei der Züchtung von hochwertigen Siliciumcarbid-Kristallen sowie bei der Herstellung der Transistoren gibt es jedoch noch keine kommerziell verfügbaren integrierten Schaltungen. Besonders die Qualität und Zuverlässigkeit des Gateoxids von SiC MOSFETs hat sich in der Vergangenheit als problematisch erwiesen. Erst in den letzten Jahren zeichnet sich ein möglicher Durchbruch von Siliciumcarbid basierten Transistoren ab. Getrieben durch Anwendungen in der Leistungselektronik wurden deutliche Fortschritte bei der Substratherstellung und in der Prozessierung von SiC erzielt. Inzwischen stehen Dioden und Transistoren als einzelne Leistungsbauteile kommerziell zur Verfügung. Im Rahmen dieser Arbeit wurde jetzt die Machbarkeit auch von integrierten Schaltung aus Siliciumcarbid MOSFETs für den Einsatz in einem sehr weiten Temperaturbereich von -40°C bis 400°C gezeigt.
Ein besonderes Augenmerk lag dabei auf dem Nachweis der Zuverlässigkeit des Gateoxids. Als wichtigster Einflussfaktor erwies sich die Haftstellendichte im Übergangsbereich von Siliciumdioxid zu Siliciumcarbid. Bei hohen Temperaturen wurde dabei eine erhöhte Ladungsträgerinjektion in das Gateoxid beobachtet, die mit Haftstellen, hervorgerufen durch Kohlenstoffinterstitien an der Grenzfläche, in Zusammenhang gebracht wird. Dennoch konnte in dieser Arbeit eine hervorragende Stabilität des Gateoxids in integrierten Schaltungen bei sehr hohen Temperaturen erzielt werden. Die extrapolierte Lebensdauer betrug dabei für die maximale im Betrieb auftretende Gatespannung über 10 Jahren bei einer Temperatur von 400°C. Damit konnte eine wichtige Vorraussetzung für den Hochtemperatureinsatz von MOSFETs nachgewiesen werden.
Für den Aufbau von integrierten elektronischen Schaltungen wurde der Einsatz von zwei verschiedenen Logikfamilien untersucht und diese gezielt für den sehr weiten Betriebstemperaturbereich ausgelegt. Zu diesem Zweck wurde zunächst das Temperaturverhalten sowohl von n- als auch p-MOSFETs charakterisiert und optimiert. Dabei konnte die absolute Schwellspannung der MOSFETs beider Ladungsträgerarten für alle Betriebstemperaturen auf einen engen Bereich von 0,5V bis 5,8V begrenzt werden. Damit ist sowohl bei sehr hohen als auch bei tiefen Temperaturen mit typischen Logikpegeln von unter 10V ein zuverlässiges Schalten der MOSFETs möglich. Weiterhin weist der p-MOSFET eine für 4H-SiC hohe Ladungsträgerbeweglichkeit auf. Das Verhältnis der Ladungsträgerbeweglichkeiten in den Inversionsschichten des n- und des p-MOSFETs ist dabei oberhalb von 100°C annähernd konstant bei einem Faktor von drei. Für die Auslegung von CMOS Gattern ist es damit möglich durch eine entsprechend Wahl der geometrischen Dimensionen der Kanalbereiche die Transkonduktanz der beiden MOSFET Typen sehr gut aufeinander abzustimmen. Auch für die NMOS Schaltungen gelang es durch die Verwendung von p-implantierten Widerständen ein Konzept für die NMOS Last umzusetzen, das eine sehr gute Abstimmung zum Temperaturverhalten der aktiven n-MOSFET Schalter aufweist. Durch die beschriebenen Maßnahmen konnten im Rahmen dieser Arbeit NMOS und CMOS Gatter auf 4H-SiC realisiert werden, die über einen Temperaturbereich von -40°C bis 400°C ein sehr stabiles Schaltverhalten mit Rauschabständen der Logikpegel von über 0,5V aufweisen. Die Schaltgeschwindigkeit der NMOS Gatter liegt dabei oberhalb von 10kHz während mit CMOS Gattern sogar über 100kHz erzielt werden konnten.
Sowohl in NMOS als auch in CMOS Technologie wurden erstmals auch monolithisch integrierte, einflankengetriggerte Flip-Flops auf 4H-SiC aufgebaut und bei 400°C betrieben. Damit gelang es im Rahmen dieser Arbeit die Machbarkeit von komplexen Logikschaltungen auf 4H-SiC für den Einsatz bei hohen Temperaturen zu zeigen. Als Anwendungsbeispiel für die Sensorintegration wurde abschließend der Betrieb eines analogen 4-1 Spannungsmultiplexers bei 400°C und einer Wiederholfrequenz von 1kHz gezeigt. Diese Schaltung besteht aus vier CMOS Transmissionsgattern und ermöglicht es, bis zu vier Sensoren über eine einzige Signalleitung auszulesen. Damit erfüllen die in dieser Arbeit vorgestellten Schaltungen alle Anforderungen, um hochtemperaturtaugliche, integrierte Schaltkreise für Sensoren zur Verfügung zu stellen.
Aufgrund vielfältiger Schwierigkeiten bei der Züchtung von hochwertigen Siliciumcarbid-Kristallen sowie bei der Herstellung der Transistoren gibt es jedoch noch keine kommerziell verfügbaren integrierten Schaltungen. Besonders die Qualität und Zuverlässigkeit des Gateoxids von SiC MOSFETs hat sich in der Vergangenheit als problematisch erwiesen. Erst in den letzten Jahren zeichnet sich ein möglicher Durchbruch von Siliciumcarbid basierten Transistoren ab. Getrieben durch Anwendungen in der Leistungselektronik wurden deutliche Fortschritte bei der Substratherstellung und in der Prozessierung von SiC erzielt. Inzwischen stehen Dioden und Transistoren als einzelne Leistungsbauteile kommerziell zur Verfügung. Im Rahmen dieser Arbeit wurde jetzt die Machbarkeit auch von integrierten Schaltung aus Siliciumcarbid MOSFETs für den Einsatz in einem sehr weiten Temperaturbereich von -40°C bis 400°C gezeigt.
Ein besonderes Augenmerk lag dabei auf dem Nachweis der Zuverlässigkeit des Gateoxids. Als wichtigster Einflussfaktor erwies sich die Haftstellendichte im Übergangsbereich von Siliciumdioxid zu Siliciumcarbid. Bei hohen Temperaturen wurde dabei eine erhöhte Ladungsträgerinjektion in das Gateoxid beobachtet, die mit Haftstellen, hervorgerufen durch Kohlenstoffinterstitien an der Grenzfläche, in Zusammenhang gebracht wird. Dennoch konnte in dieser Arbeit eine hervorragende Stabilität des Gateoxids in integrierten Schaltungen bei sehr hohen Temperaturen erzielt werden. Die extrapolierte Lebensdauer betrug dabei für die maximale im Betrieb auftretende Gatespannung über 10 Jahren bei einer Temperatur von 400°C. Damit konnte eine wichtige Vorraussetzung für den Hochtemperatureinsatz von MOSFETs nachgewiesen werden.
Für den Aufbau von integrierten elektronischen Schaltungen wurde der Einsatz von zwei verschiedenen Logikfamilien untersucht und diese gezielt für den sehr weiten Betriebstemperaturbereich ausgelegt. Zu diesem Zweck wurde zunächst das Temperaturverhalten sowohl von n- als auch p-MOSFETs charakterisiert und optimiert. Dabei konnte die absolute Schwellspannung der MOSFETs beider Ladungsträgerarten für alle Betriebstemperaturen auf einen engen Bereich von 0,5V bis 5,8V begrenzt werden. Damit ist sowohl bei sehr hohen als auch bei tiefen Temperaturen mit typischen Logikpegeln von unter 10V ein zuverlässiges Schalten der MOSFETs möglich. Weiterhin weist der p-MOSFET eine für 4H-SiC hohe Ladungsträgerbeweglichkeit auf. Das Verhältnis der Ladungsträgerbeweglichkeiten in den Inversionsschichten des n- und des p-MOSFETs ist dabei oberhalb von 100°C annähernd konstant bei einem Faktor von drei. Für die Auslegung von CMOS Gattern ist es damit möglich durch eine entsprechend Wahl der geometrischen Dimensionen der Kanalbereiche die Transkonduktanz der beiden MOSFET Typen sehr gut aufeinander abzustimmen. Auch für die NMOS Schaltungen gelang es durch die Verwendung von p-implantierten Widerständen ein Konzept für die NMOS Last umzusetzen, das eine sehr gute Abstimmung zum Temperaturverhalten der aktiven n-MOSFET Schalter aufweist. Durch die beschriebenen Maßnahmen konnten im Rahmen dieser Arbeit NMOS und CMOS Gatter auf 4H-SiC realisiert werden, die über einen Temperaturbereich von -40°C bis 400°C ein sehr stabiles Schaltverhalten mit Rauschabständen der Logikpegel von über 0,5V aufweisen. Die Schaltgeschwindigkeit der NMOS Gatter liegt dabei oberhalb von 10kHz während mit CMOS Gattern sogar über 100kHz erzielt werden konnten.
Sowohl in NMOS als auch in CMOS Technologie wurden erstmals auch monolithisch integrierte, einflankengetriggerte Flip-Flops auf 4H-SiC aufgebaut und bei 400°C betrieben. Damit gelang es im Rahmen dieser Arbeit die Machbarkeit von komplexen Logikschaltungen auf 4H-SiC für den Einsatz bei hohen Temperaturen zu zeigen. Als Anwendungsbeispiel für die Sensorintegration wurde abschließend der Betrieb eines analogen 4-1 Spannungsmultiplexers bei 400°C und einer Wiederholfrequenz von 1kHz gezeigt. Diese Schaltung besteht aus vier CMOS Transmissionsgattern und ermöglicht es, bis zu vier Sensoren über eine einzige Signalleitung auszulesen. Damit erfüllen die in dieser Arbeit vorgestellten Schaltungen alle Anforderungen, um hochtemperaturtaugliche, integrierte Schaltkreise für Sensoren zur Verfügung zu stellen.
| Erscheint lt. Verlag | 20.12.2011 |
|---|---|
| Reihe/Serie | Erlanger Berichte Mikroelektronik ; 2011,5 |
| Sprache | deutsch |
| Maße | 148 x 210 mm |
| Gewicht | 224 g |
| Einbandart | Paperback |
| Themenwelt | Technik ► Elektrotechnik / Energietechnik |
| Schlagworte | CMOS • Integrierte Schaltungen • NMOS • Silicium Carbid |
| ISBN-10 | 3-8440-0614-1 / 3844006141 |
| ISBN-13 | 978-3-8440-0614-8 / 9783844006148 |
| Zustand | Neuware |
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