Halbautomatischer 200 mm-Messplatz zur Charakterisierung von Bauelementen und Halbleiterscheiben
Final Report Abstract
Im Rahmen des DFG-Großgeräteantrags wurde ein halbautomatischer 200 mm-Messplatz zur Charakterisierung von Bauelementen auf Halbleiterscheiben beschafft. Im Folgenden werden die wichtigsten Forschungsprojekte und wissenschaftlichen Arbeiten, für die das Gerät genutzt wurde dargestrellt. Ziel des Forschungsprojekts „Circuit technology based on metal oxide thin film transistors“ im Rahmen des Graduiertenkollegs 1161 „Disperse Systeme für Elektronikanwendungen“ ist die Herstellung von TFTs mit gesputtertem Metalloxid bzw. gedrucktem Metalloxid und deren Einsatz in einfachen Schaltungen. Um die Reproduzierbarkeit, Zuverlässigkeit und Stabilität von Dünnfilmtransistoren zu untersuchen, wurde entsprechende TFTs hergestellt und elektrisch charakterisiert sowie elektrische Parameter der Bauelemente simuliert. Wesentlichen Bauelementeeigenschaften wurden durch entsprechende Strom-Spannungs-Messung bestimmt. Im Rahmen des Exzellenzclusters EAM „Engineering of Advanced Materials - Hierarchical Structure Formation for Functional Devices" an der FAU Erlangen-Nürnberg, arbeiten Doktoranden des LEB in Erlangen interdisziplinär an der Entwicklung nanoelektronischer Materialien. Insbesondere halbleitende Nanopartikeldünnfilme aus anorganischen Materialien wie Silicium, Germanium oder Metalloxiden werden untersucht. Elektronische Bauelemente wie Kondensatoren, Leiterbahnen oder Dünnfilmtransistoren werden am LEB hergestellt und charakterisiert. Dabei wird die elektrische Charakterisierung der Bauelemente vorwiegend über Strom-Spannungsmessungen an manuellen oder automatischen Messgeräten durchgeführt. Weitere Charakterisierungstechniken wie REM, XRD, XPS oder DLS stehen am LEB oder dem Fraunhofer IISB zur Verfügung. Ziel des Forschungsprojektes „Bipolare Leistungsbauelemente auf der Basis von 4H-SiC“ ist die Herstellung, Charakterisierung und physikalische Modellierung der elektrischen Eigenschaften neuartiger bipolarer Sperrschichtfeldeffekttransistoren (BiFET). Auf Grundlage der physikalischen Modellierung soll die Eignung dieser bipolaren Sperrschichtfeldeffekttransistoren als Leistungsschalter in intelligenten Stromnetzen erforscht werden. Die für die physikalische Modellierung benötigten Bauelementeigenschaften werden dabei durch temperaturabhängige Strom-Spannungs- und Kapazitäts-Spannungs-Messung bestimmt. Im Rahmen des Forschungsaufenthaltes eines Gastwissenschaftlers (Dr. Luigi di Benedetto, University of Salerno, Italy) am Lehrstuhl für Elektronische Bauelemente wurde ein Modell zur numerischen Simulation des statischen und dynamischen Verhaltens von pn-Dioden auf der Basis von 4H-SiC entwickelt. Die zur Kalibrierung des Modells notwendige elektrische Charakterisierung von pn-Dioden erfolgte dabei an dem entsprechenden Messgerät. Dies umfasst insbesondere die Charakterisierung der Abhängigkeit des Flussstromes und damit des differentiellen Widerstandes von der angelegten Flussspannung mittels statischer Strom-Spannungs-Messung, als auch die exakte Bestimmung der Dotierstoffkonzentrationen mittels Kapazitäts-Spannungs-Messung. Im Projekt „Passive monolithisch integrierte Bauelemente in Niederspannungsmodulen für die Automobilelektronik zur Steigerung der Systemzuverlässigkeit“ (PiBAS) werden monolithisch integrierte RC-Glieder als Grabenkondensatoren auf Siliciumwafern realisiert und hinsichtlich ihrer Zuverlässigkeit im Einsatz in leistungselektronischen Modulen getestet. Der Schwerpunkt lag hierbei auf der Herstellung und Untersuchung von Bauelementen für einen Spannungsbereich bis 200 V. Zugleich wurde im Rahmen weiterer Forschungsarbeiten auch die Realisierbarkeit von Bauelementen für Spannungen bis zu 600 V untersucht. Der halbautomatische 200 mm-Messplatz wurde im Rahmen dieses Projektes zur Charakterisierung und Kontrolle der hergestellten Bauelemente mittels Kapazitäts- und Serienwiderstandsmessungen, Strom- Spannungskennlinien und eines eigens entwickelten Screening-Tests eingesetzt. Im Rahmen einer Industriekooperation wurden unterschiedliche Schottky-Leistungsdioden (SBDs) auf 4H-Siliciumcarbid (4H-SiC) hergestellt. Die erzielte maximale Sperrspannung liegt für eine erste Serie von SBDs bei 1200 V und für eine zweite Serie von SBDs bei 1700 V. Die mit den hergestellten Dioden erzielbaren Stromdichten im Vorwärtsrichtung liegen bei bis zu 1000 A/cm2. Ein wesentlicher Bestandteil des Projektes ist die vollständige elektrische Charakterisierung aller hergestellten SBDs in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung zur Bewertung von Prozessstabilität, -qualität und Ausbeute. Im Rahmen der Forschungsarbeiten zur „Herstellung und Charakterisierung von MOS-Kondensatoren und MOS-Feldeffekttransistoren auf 4H-Siliciumcarbid“ (MobiSiC) wurden in mehreren Herstellungsprozessen unterschiedliche elektronische Bauelemente (MOS-Kondensatoren, n- und p-Kanal MOS- Feldeffekttransistoren, Van der Pauw Strukturen und MOS-gated Hall-Bars) hergestellt. Ein Teil der elektrischen Charakterisierung, insbesondere die Strom-Spannungs- sowie die Kapazitäts-Spannungs-Charakteristik der genannten Strukturen wurden an dem Forschungsgroßgerät durchgeführt. Darüber hinaus wurde der Messplatz für akademische Ausbildungszwecke im Rahmen von studentischen Praktika eingesetzt.
Publications
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Comparative Study of Electrical and Microstructural Properties of 4H-SiC MOSFETs. Materials Science Forum, 717- 720 (2012), 437-440
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Feasibility and limitations of anti-fuses based on bistable non-volatile switches for power electronic applications. Solid-State Electronics, 75 (2012), 33-36
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Hürner, A.; Schlegl, T.; Adelmann, B.; Mitlehner, H.; Hellmann, R.; Bauer, A.J.; Frey, L.
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Comparative study of n-LIGBT and n-LDMOS structures on 4H-SiC. Materials Science Forum, 740-742 (2013), 887-890
Haeublein, V.; Temmel, G.; Mitlehner, H.; Rattmann, G.; Strenger, C.; Hürner, A.; Bauer, A. J.; Ryssel, H.; Frey, L.
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High-mobility metal-oxide thin-film transistors by spray deposition of environmentally friendly precursors. Thin Solid Films, 553 (2014), 114-117
Oertel, S; Jank, M.P.M.; Teuber, E; Bauer, A. J.; Frey, L.
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Temperature and Electrical Field Dependence of the Ambipolar Mobility in n-doped 4H-SiC. Materials Science Forum, 778- 780 (2014), 487-490
Huerner, A.; Bonse, C.; Clemmer, G.; Kallinger, B; Heckel, T; Erlbacher, T.; Mitlehner, H.; Haublein, V.; Bauer, A. J.; Frey, L.
