Optimierung der elektrischen Eigenschaften von lateralen ...

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Kapitel 1 Einleitung
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dem Bipolartransistor. Der Zusammenhang zwischen beiden Größen stellt die physi‐
kalische Limitierung für Leistungsbauelemente auf der Basis von Silizium dar, die
auch als Silizium‐Limit bezeichnet wird, und macht das gleichzeitige Erreichen
beider Zielsetzungen so gut wie unmöglich. Auf der Suche nach einem möglichst
guten Kompromiss werden ständig neue Halbleiterbauelementestrukturen erforscht.
Erst mit der Einführung des Kompensationsprinzips ist die Überwindung des Sili‐
zium‐Limits gelungen [DMS98]. Dies führte in der weiteren Entwicklung zu einer
neuen Klasse von Leistungshalbleitern, die unter der Bezeichnung Kompensations‐
bauelemente (Superjunction‐Bauelemente) bekannt geworden sind. Kompensations‐
bauelemente sind schnell schaltbare Hochleistungs‐Transistoren, die sich gegenüber
dem bisherigen Stand der Technik durch einen um ein Vielfaches geringeren Durch‐
lasswiderstand bei gleichem Sperrvermögen auszeichnen. Zu den Kompensations‐
bauelementen gehören unter anderem der CoolMOS TM von der Firma Infineon Tech‐
nologies und der MDmesh TM von der Firma STMicroelectronics. Beide sind kom‐
merziell erhältliche Vertikaltransistoren; bei ihnen erfolgt der Stromfluss von der
Chipoberseite in vertikaler Richtung zur Rückseite, die im Sperrbetrieb auf hoher
Spannung liegt. Diese Leistungstransistoren sind besonders gut für Anwendungen,
die hohe Leistungen und Strombelastbarkeit erfordern.
In der Leistungselektronik wird zunehmend die Integration von Leistungsbauele‐
menten und Schaltungen auf einem Chip angestrebt, das heißt, auf einem Silizium‐
plättchen sollen neben mehreren hunderttausend Leistungshalbleitern auch
Ansteuerschaltungen, Sensoren, Schutzschaltungen, Controller usw. enthalten sein
(Smart‐Power‐Technologie). Vertikale Leistungstransistoren sind jedoch nicht zu
dieser Art der Integration geeignet. Daher sind Lateraltransistoren mit lateralem
Stromfluss nahe der Chipoberfläche die typischen Leistungsbauelemente in der
Smart‐Power‐Integration. Bei lateraler Ausführung ist die Unterseite aller Bauele‐
mente mit der elektrischen Masse verbunden, womit sich Lateraltransistoren
geradezu für die Mehrfachintegration anbieten. Funktionselemente in solch einem
integrierten Schaltkreis können dabei entweder durch einen dielektrischen Isolator
oder durch eine pn‐Sperrschicht voneinander getrennt werden. Laterale Bauelement‐
strukturen ermöglichen zudem im Zell‐Layout eine Ausführung, bei der die stets auf
Null Volt liegende Sourcelektrode das Driftgebiet umgibt. Dadurch kann man die
Problematik des bei Vertikaltransistoren üblichen hohen Platzbedarfs für die Rand‐
konstruktion außer Acht lassen. Besondere Nachteile von Lateraltransistoren sind
aber schlechte Wärmeabfuhr, hoher Flächenbedarf durch die an der Oberfläche ver‐
laufende Driftzone, Komplikationen bei der Metallisierung bzw. Isolation und ver‐
gleichsweise großer Durchlasswiderstand aufgrund der weniger effektiven Ausnut‐
zung des verfügbaren Siliziumvolumens.
In dieser Arbeit werden die halbleiterphysikalischen Grundlagen von neuartigen
lateralen Superjunction‐Leistungs‐MOSFETs in der Spannungsklasse 600 Volt unter‐
sucht, die auf dem oben erwähnten Kompensationsprinzip beruhen. Eingesetzt sol‐