Ανάπτυξη μικρομετρικών τρανζίστορ εγκάρσιου πεδίου από καρβίδιο του πυριτίου (SiC)

Abstract

Simulation with a finite element method has become a major and important tool that can explain the physical behavior of electronic devices. Data from constructed devices are taken as input and with a feedback process between the results and the measurements; one can explain the operation of the device. This has been achieved to an excellent degree in silicon electronics, since silicon is the most well known semiconductor material, but not in Silicon carbide. Silicon carbide (SiC) has been extensively used only recently and both the physical models and their parameters are susceptible to many improvements, since there are several ambiguities – uncertainties which are observed during simulation. Many publications contain simulation results, but only a few describe accurately the simulation models and their parameters. The aim of this work is to establish an explicit procedure for achieving reliable TCAD simulation results. For this purpose the physical parameters and properties of 4H-SiC were studied, available models were analyzed, as well as the optimal parameter values for each property. The models as well as their parameters were initially selected from literature. The best models and their parameters are a “set” that, when used in simulations can accurately represent the physical (electrical) behavior of the 4H-SiC material. The SILVACO ATLAS simulation tool is our chosen one and contains a predefined set of models and parameters in itself. Examination of whether they correspond to reality was investigated, initially, through diode simulations from the literature. These diodes also include “termination” structures designed to protect the device from premature breakdown. During simulations, the simulation kit is adjusted (recursively) until satisfactory results are obtained in relation to experimental data. At the same time, these adjustments are made by choosing the best termination device. At the end of this process, a correct simulation kit is proposed for both SILVACO’s ATLAS software and other similar TCADs. The TSI-VJFET was built in the Microelectronics Research Group (MRG) of FORTH Crete (FORTH). For a proper description of the operation of the transistor, the correct description of its DC operation is of paramount importance. Theoretically, the intrinsic transistor should be enough to predict the basic DC characteristics of the transistor. The results of the simulation of the intrinsic transistor were compared with the experimental data of the TSI-VJFET of FORTH. Thus, the validity of the simulation results (based on the previously deduced “set”) can be further verified. The comparison of simulation and measured data of the intrinsic transistor and extrinsic transistor showed that the simulation kit developed in this thesis achieves at least 80% agreement between simulated and measured attributes. The important benefit of this work is both the emergence of the best simulation kit and the suggestion of specific steps proposed as a methodology for a successful and accurate simulation. This simulation method was implemented with the ATLAS tool, first conducted in this thesis, and is proposed for any future use of 4H-SiC-based electronic simulations.

Η προσομοίωση με τη μέθοδο πεπερασμένων στοιχείων έχει αναδειχθεί σε κύριο και σημαντικό εργαλείο που μπορεί να εξηγήσει τη φυσική συμπεριφορά ηλεκτρονικών διατάξεων. Λαμβάνοντας υπ’όψιν δεδομένα από κατασκευασμένες διατάξεις και με μια διαδικασία ανάδρασης μεταξύ των αποτελεσμάτων και των μετρήσεων, μπορεί κανείς να εξηγήσει τη λειτουργία της διάταξης. Παρότι αυτό έχει επιτευχθεί σε άριστο βαθμό σε ηλεκτρονικές διατάξεις πυριτίου, δεν συμβαίνει το ίδιο με το καρβίδιο του πυριτίου. Το καρβίδιο του πυριτίου (SiC - silicon carbide) χρησιμοποιείται εκτενώς την τελευταία δεκαετία, τόσο τα σχετικά μοντέλα φυσικής όσο και οι παράμετροί τους, επιδέχονται πολλές βελτιώσεις, μια και υπάρχουν αρκετές ασάφειες – αβεβαιότητες που η αδυναμία τους φαίνεται εύκολα στον προσομοιωτή. Σκοπός της εργασίας αυτής είναι η καθιέρωση ρητής διαδικασίας για την επίτευξη αξιόπιστων αποτελεσμάτων προσομοίωσης με TCAD εργαλεία. Μελετήθηκαν οι φυσικοί παράμετροι και ιδιότητες του 4H-SiC, αναλύθηκαν διαθέσιμα μοντέλα, και προτάθηκαν οι βέλτιστες τιμές παραμέτρων για κάθε του ιδιότητα. Τα μοντέλα όπως και οι παράμετροι τους, αρχικά επιλέχθηκαν από μια γκάμα της βιβλιογραφίας. Τα καλύτερα μοντέλα και οι παράμετροι τους αποτελούν ένα «σετ» που όταν χρησιμοποιείται στις προσομοιώσεις, μπορεί να παριστά σωστά τη φυσική (ηλεκτρική) συμπεριφορά του 4H-SiC ως υλικό. Το εργαλείο προσομοίωσης ATLAS της SILVACO είναι το επιλεγμένο μας εργαλείο προσομοίωσης και περιέχει από μόνο του ένα προκαθορισμένο σετ μοντέλων και παραμέτρων. Η εξέταση κατά πόσο ανταποκρίνονται στην πραγματικότητα, διερευνήθηκε αρχικά μέσω προσομοιώσεων διόδων της βιβλιογραφίας. Οι δίοδοι αυτές περιέχουν και δομές «τερματισμού» που έχουν ως σκοπό την προστασία της διάταξης από πρόωρη κατάρρευση. Κατά τις προσομοιώσεις προσαρμόζεται κάθε φορά το σετ προσομοίωσης μέχρι να αποκτηθούν ικανοποιητικά αποτελέσματα σε σχέση με τα πειραματικά δεδομένα. Ταυτόχρονα, με τις προσαρμογές αυτές γίνεται και η επιλογή της καλύτερης διάταξης τερματισμού. Στο τέλος αυτής της διαδικασίας προτείνεται ένα σωστό σετ προσομοίωσης, τόσο για το λογισμικό ATLAS της SILVACO όσο και για άλλους παρόμοιους προσομοιωτές. Ένα τρανζίστορ, το TSI-VJFET, κατασκευάστηκε στο Microelectronics Research Group (MRG) της FORTH Κρήτης (ΙΤΕ). Για τη σωστή περιγραφή της λειτουργίας του TSI-VJFET (σε οποιαδήποτε χρήση), πρωταρχική σημασία έχει η σωστή περιγραφή της DC λειτουργίας του. Έτσι η προσομοίωση του αντίστοιχου εγγενούς καθώς και το εξωγενούς τρανζίστορ θεωρείται απαραίτητη. Σε πρώτη προσέγγιση έχει αποδειχθεί ότι το εγγενές τρανζίστορ θεωρητικά θα μπορούσε να είναι αρκετό για να προβλέψει βασικά DC χαρακτηριστικά τρανζίστορ. Τα αποτελέσματα προσομοίωσης του εγγενούς και του εξωγενούς τρανζίστορ συγκρίθηκαν με τα πειραματικά δεδομένα του TSI-VJFET της FORTH και βρέθηκε ότι δεν υπάρχει καλή σύμπτωση μεταξύ προσομοιωμένων και μετρημένων χαρακτηριστικών. Το σετ προσομοίωσης που αναπτύχθηκε σε αυτήν τη διατριβή, επιτυγχάνει τουλάχιστον 80% συμφωνία μεταξύ προσομοιωμένων και μετρημένων χαρακτηριστικών. Το σημαντικό όφελος από την εργασία αυτή είναι τόσο η ανάδειξη του καλύτερου σετ προσομοίωσης όσο και η πρόταση συγκεκριμένων βημάτων που προτείνονται ως μεθοδολογία για μια επιτυχημένη και ακριβή προσομοίωση. Η μέθοδος αυτή προσομοίωσης εφαρμόστηκε με το εργαλείο ATLAS, διεξάχθηκε για πρώτη φορά σε αυτήν την διατριβή, και προτείνεται για κάθε μελλοντική χρήση προσομοιώσεων 4H-SiC ηλεκτρονικών διατάξεων.