2012

Datum der Promotion: 21.11.2012
Abstract: Der Einsatz von neuartigen Halbeiter-Bauelementen in rauen Umgebungsbedingungen bietet das Potential, die Energieeffizienz, Umweltverträglichkeit sowie Sicherheit von Verbrennungsprozessen zu verbessern. Robuste Sensoren und elektronische Bauelemente ermöglichen Echtzeit-System-Überwachung und Echtzeit-Abgaskontrolle. Halbleiter-Bauelemente sind in vielen Anwendungen der rauen Umgebung ausgesetzt, da Druck- und Abgassensoren im Allgemeinen in direktem Kontakt mit der Umgebung sein müssen. Dies erfordert ein weitaus kritischeres Anforderungspro?l an Material- und Bauelementzuverlässigkeit verglichen mit bekannten Standards in der Mikrosystemtechnik. Betriebstemperaturen bis zu 600 °C, hochkorrosive feuchte Atmosphäre und Temperaturzyklen stellen hierbei schwere Herausforderungen an die Bauelement-Stabilität. Aufgrund der herausragenden Eigenschaften sowie des hohen Reifegrades der entsprechen- den Prozesstechnologie ist Siliciumcarbid (SiC) ein vielversprechendes Halbeitermaterial für Hochtemperaturanwendungen. Trotz der ausserordentlichen Eigenschaften des Siliciumcarbid- Substrats ist die Lebensdauer von SiC-Bauelementen typischerweise durch die Stabilität von Bauelement-Komponenten wie Kontakt- und Gate-Metallisierungen begrenzt. Die vorliegende Arbeit zielt auf die Entwicklung von neuartigen Materialien und Prozessen für abgasstabile Metall-Isolator-Halbleiter Feldeffekt-Transistoren (engl. MISFET) auf Basis von Siliciumcarbid, die für den Einsatz bis hohe Temperaturen geeignet sind. Die unterschiedlichen Komponenten der Bauelemente wurden zunächst anhand geeigneter Testprozesse und -Strukturen hergestellt und untersucht. Haftfähige Pt-basierte Metallisierungen, robuste Passivierungen basierend auf amorphem Siliciumcarbid, stabile Ti-Ohmkontakte und ein zuverlässiger Oxid-Nitrid -Oxid (ONO) Gate-Stapel wurden entwickelt. Erweiterte Alterungsmethoden wurden etabliert, um die spezi?schen Anforderungen bei Abgasanwendungen nachzubilden. Diese Methoden setzten sich aus thermalen und hydrothermalen Langzeitalterungen, Temperaturwechseltests, Autoklaventests, Auslagerungen im Abgaskondensat und bestromten Alterungen zusammen. Ein wesentlicher Befund dieser Experimente war, dass der Einsatz einer robusten Passivierung eine erhebliche Verbesserung der Stabilität der ohmschen Kontakte herbeiführt. Dadurch konnte erstmals die Langzeitsstabilität von ohmschen Kontakten auf SiC bei 600 °C in hydrothermaler Umgebung gezeigt werden. Die optimierten Bauelementkomponenten wurden dann erfolgreich in einen SiC-MISFET ‘gate- ?rst’ Gesamtprozess zusammengeführt. Die Zuverlässigkeit von SiC-MISFET-Bauelementen mit passivierter Pt-Gate Metallisierung wurde anschließend untersucht. Die Bauelemente zeigten eine außerordentliche Stabilität in allen Alterungsexperimenten. Eine zeitaufgelöste, bestromte Alterung bei 500 °C bis zu 1000 Stunden zeigte eine absolute Änderung der MISFET Parameter kleiner als 10 % nach einem ersten burn-in bei 500 °C. Der Mechanismus, der für den Drift der Transistoreigenschaften nach dem burn-in verantwortlich ist, wurde anhand von TEM-Untersuchungen als die Diffusion von Pt aus der Gatemetallisierung in die oberste SiO2 Schicht des ONO Gatestapels identifiziert. Der Betrieb eines SiC-MISFETs jenseits von 700 °C in Luft konnte erstmals gezeigt werden. Dies bestätigte die erhebliche Verbesserung der Zuverlässigkeit, die durch den Einsatz optimierter Bauelement-Komponenten ermöglicht wurde. Schließlich wurden Demonstrator-Bauelemente mit Hilfe einer nanoporösen Pt-Schicht für den Einsatz als Gassensor funktionalisiert. Die Sensitivität dieser Bauelemente gegenüber NO, NO2 und NH3 als Testgase konnte bis zu Konzentrationen von 2 ppm belegt werden. Das Sensorsignal zeigte ein logarithmisches Verhalten und die Antwortzeit betrug weniger als 500 ms für alle untersuchten Testgase.
[Diese Dissertation ist unter der ISBN 978-3-8440-1681-9 in der Reihe „Halbleitertechnik“ im Shaker-Verlag erschienen.]

Datum der Promotion: 10.09.2012
Abstract: The continuous improvement in semiconductor technology requires field effect transistor scaling while maintaining acceptable leakage currents. This study analyzes the effect of scaling on the leakage current and defect distribution in peripheral DRAM transistors. The influence of important process changes, such as the high-k gate patterning and encapsulation as well as carbon co-implants in the source/drain junction are investigated by advanced electrical measurements and TCAD simulation. A complete model for the trap assisted leakage currents in the silicon bulk of the transistors is presented.
[Diese Dissertation ist unter der ISBN 978-3-8325-3261-1 in der Reihe „Research at NaMLab“ im Logos-Verlag erschienen.]

Datum der Promotion: 04.09.2012
Abstract: Im Rahmen dieser Arbeit wurden Untersuchungen zur Systemgestaltung und zur Analyse des Einsatzpotentials von elektrischen Achs-Antriebssystemen mit integrierter Umrichter-Leistungselektronik durchgeführt. Hierzu wurde ein Traktionssystem mit einer Leistung von 2×20 kW und integriertem Doppelumrichter (2×45 kVA) realisiert. Das System ist geeignet für den Einsatz in straßengekoppelten Hybridfahrzeugen und kleineren E-Fahrzeugen. Die um-gesetzte Lösung ermöglicht durch die wirkortnahe Platzierung der leistungselektronischen Komponenten ein System mit erhöhter Bauraumflexibilität und reduzierter Anzahl an Kom-ponenten und Schnittstellen. Ein gemeinsamer Kühlmantel für die Statoren der Antriebsma-schinen und die Leistungselektronik sowie die direkte Kontaktierung der AC Phasenkabel im Umrichterbereich seien hier beispielhaft genannt. Gleichzeitig steigen die mechanischen und thermischen Anforderungen an die Komponenten integrierter Umrichtersysteme, beispiels-weise durch den Vibrations- und Wärmeeintrag benachbarter mechanischer Antriebskompo-nenten. Untersuchungen zum Einsatz von grundplattenlosen Leistungsmodulen, die gegen-über klassischen Modulen eine reduzierte Anzahl an thermischen und mechanischen Schnittstellen aufweisen, werden vorgestellt. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Bewertung des Einsatzes von Asynchronma-schinen mit Kupferläufern in straßengekoppelten Hybridfahrzeugen ohne zusätzliche me-chanische Kupplungsvorrichtungen. Mittels Messungen wurden die Schleppverluste des Ge-samt-Antriebssystems im passiven Betrieb untersucht. Die Nachteile in Bezug auf Leis-tungsdichte und Fahrzyklus-bezogener Effizienz gegenüber permanenterregten Synchron-maschinen wurden in einer Motor-Vergleichsstudie zusätzlich für einen 2×60 kW Antrieb quantifiziert. Signifikante Effizienzunterschiede treten hier insbesondere bei langsameren Fahrzyklen auf. Untersuchungen zur anforderungsgerechten Auslegung des Wirkungsgrad-maximums der Traktionsmaschinen in Abhängigkeit des Belastungsprofiles werden vorge-stellt. Hierbei sind deutliche Abweichungen zum Punkt der zeitlich häufigsten Belastung der Maschine festgestellt worden. Sowohl im Hybridbetrieb als auch im elektrischen Betrieb liegen die Durchschnittsleistungen vor allem bei Fahrzyklen geringerer Durchschnittsgeschwindigkeit deutlich unter der Nenn- bzw. der Maximalleistung der Antriebssysteme. Dies macht eine Optimierung der Teillasteffi-zienz notwendig, um die Batterieenergie möglichst effizient in Reichweite umzusetzen. Asyn-chronmaschinen haben im Teillastbereich und vor allem im Ankerstellbereich Nachteile ge-genüber PSM-Maschinen durch zusätzliche Stromwärmeverluste im Käfigläufer. Eine Be-triebsstrategie für Hochvolt-DC/DC-Wandler mit variabler Gestaltung der Zwischenkreis-spannung kann die Teillasteffizienz unter anderem durch eine Reduktion der IGBT-Schaltverluste bei langsamen Fahrzyklen erhöhen. Durchgeführte Simulationen bestätigen auch Vorteile durch den Einsatz von schaltbaren Untersetzungsgetrieben, die einen Einsatz in einem optimalen Betriebsbereich ermöglichen. Neben Wirkungsgradnachteilen ergibt sich durch die Rotorverluste in Asynchronmaschinen auch eine Erwärmung des Läufers, aufgrund dessen schlechter Anbindung an den Wasser-kühlmantel mit einem hohen thermischen Widerstand. Messungen und CFD Analysen der konvektiven Rotorentwärmung im Motorinneren wurden auch zur Parametrisierung eines thermischen Ersatzschaltbildes auf Basis von Cauer-Netzwerken genutzt. Die Untersuchun-gen verdeutlichen, dass im Falle der realisierten Antriebseinheit die Entwärmung des Rotors entscheidenden Einfluss auf die Gesamt-Leistungsfähigkeit des Systems hat.

Datum der Promotion: 06.06.2012
Dissertation im Volltext
Abstract: Germanium war in den fünfziger und sechziger Jahren des letzten Jahrhunderts in der Halbleiterindustrie ein dominierender Werkstoff, wurde aber bald durch Silicium abgelöst. Die Gründe dafür waren, die aus der höheren Bandlücke des Siliciums resultierenden geringeren Leckströmen in Bauelementen sowie die hervorragenden Eigenschaft des Siliciumoxids als Passivierung und Isolatormaterial für den Bau von MOSFETs (Feldeffekttransistoren mit isolierter Steuerelektrode). Da in hochintegrierten Schaltungen jedoch die notwendige Dicke des Gatedielektrikums unter der Steuerelektrode immer weiter abnimmt, steigen als Folge Leckströme durch den Isolator immer weiter an. Das führt zur Einführung alternativer Isolatormaterialien, womit die Eigenschaften des SiO2 als Vorteil des Siliciums nicht mehr gelten. Damit steigt das Interesse an Germanium als alternativen Halbleiter, da man sich einen verbesserten Stromtransport durch hohe Beweglichkeiten in integrierten MOSFETs verspricht. Aufgrund der geringen Verfügbarkeit ist jedoch zu erwarten, dass Germanium nur in Form dünner Schichten auf Siliciumsubstraten eingesetzt wird. Bevorzugt werden dabei GeOI-Substrate (engl. GErmanium-On-Insulator, dt. Germanium auf Isolator). Im Rahmen dieser Arbeit wird die Integration von MOSFETs in Germaniumschichten untersucht. Es werden verschiedene Einzelprozessschritte betrachtet und ihre spezifischen Eigenschaften beim Einsatz für Germanium untersucht. Bei der Prozessführung ist zu vermeiden, dass eine blanke Germaniumfläche bei hohen Temperaturen mit der umliegenden Atmosphäre wechselwirken kann. Es werden Ätzgruben und Substratverlust von bis zu 3 nm/min bei 600 °C aufgrund von Kleinstmengen von Sauerstoff in nominell inerten Atmosphären (Ar, N2 oder Vakuum) beobachtet. Eine Verringerung dieses Effektes ist durch niedrigere Temperaturen, kleine Ofenvolumina, Vakuumbedingungen und Deckschichten zu erreichen. Für die Dotierung wird vorzugsweise die Ionenimplantation genutzt. Bei Germanium treten Oberflächenrauigkeiten oder vergrabene Hohlräume bei der Implantation schwerer Ionen wie Ga, As oder Sb oberhalb einer kritischen Dosis auf, die für alle drei Elemente bestimmt wird. Die Ergebnisse sprechen gegen einen Einfluss der Implantationsenergie auf die kritische Dosis. Als Bildungsmechanismus kann reines Sputtern ausgeschlossen werden. Als eine potentielle Passivierungsmethode wird die Verwendung von Germaniumoxid untersucht, da hier geringe Grenzflächenzustandsdichten zu erwarten sind. Dazu wird die Oxidation betrachtet. Bei Germanium tritt neben dem Oxidwachstum ein Mechanismus hinzu, der die Oxiddicke verringert und höhere Grenzflächenzustände verursacht. Um die Degradation im Prozess zu verringern, sollte unter Sauerstoffatmosphäre abgekühlt werden. Zur Demonstration einer möglichen Technologie wird ein Prozess für den Bau von MOSFETs auf Germaniumsubstrat dargestellt. Als mögliches hoch-epsilon Dielektrikum wird Al2O3 untersucht. Die thermische Stabilität von Schichtstapeln aus GeO2 und Al2O3 bei Ausheilungen in Formiergas wird untersucht. Dazu werden MOS-Kondensatoren mit Elektroden aus Al oder Ti hergestellt. Es zeigt sich eine Zerstörung der Stapel oberhalb von 450 °C bei Aluminiummetallisierung und oberhalb von 375 °C bei Titanmetallisierung. Bis zu dieser Grenztemperatur wird für Schichtstapel mit einer Aluminiummetallisierung eine Reduktion der Grenzflächenzustandsdichte, der Summe der Oxidladungen und der Flachbandhysterese festgestellt. Mit diesem Stapel wird ein p-Kanal MOSFET mit einer effektiven Kanalbeweglichkeit von maximal 315 cm²/Vs demonstriert. Dagegen wirkt sich eine Titanmetallisierung nachteilig auf die Beweglichkeit aus und es wird lediglich eine Kanalbeweglichkeit von 13,9 ± 1,5 cm²/Vs erreicht. Für die Wahl des Gatemetalls ist daher eine potentielle Wechselwirkung mit dem Gatedielektrikum zu berücksichtigen.