SiC-Bauelemententwicklung Wann sich Hohlräume in SiC-Superjunction-Strukturen tolerieren lassen

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Hohlräume beim epitaktischen Füllen von SiC-Gräben senken die Durchbruchspannung. Ihre Vermeidung kann jedoch den Durchlasswiderstand erhöhen. Eine Simulationsstudie untersucht, wie sich dieser Zielkonflikt auflösen lässt – und weshalb die Position eines Defekts entscheidend ist.

Schmale, nahezu senkrechte Säulen versprechen bei SiC-Superjunction-Bauelementen einen günstigen Kompromiss zwischen Durchbruchspannung und spezifischem Durchlasswiderstand R_DS(on),sp, also dem mit der aktiven Fläche multiplizierten Widerstand im leitenden Zustand. Ihre Herstellung ist allerdings anspruchsvoll: Werden tiefe Gräben epitaktisch aufgefüllt, kann sich die Öffnung schließen, bevor der darunterliegende Raum vollständig mit Halbleitermaterial gefüllt ist. Zurück bleibt ein Hohlraum, der die Ladungsverteilung und das elektrische Feld verändert.

Breitere Gräben mit stärker geneigten Seitenwänden erleichtern eine hohlraumfreie Füllung. Elektrisch ist diese Geometrie jedoch nicht zwangsläufig günstiger. Genau diesen Zusammenhang untersucht das Team um Bailing Zhou in der Studie „Simulation study of void impact in trench-filling-epitaxy-based 4H-SiC semi-superjunction schottky rectifiers“, erschienen in Power Electronic Devices and Components. Die Autoren verbinden Bauelementsimulationen mit einer numerischen Optimierung und vergleichen zwei Wege: Hohlräume durch die Geometrie vermeiden oder sie beim Entwurf gezielt berücksichtigen.

Ladungskompensation trifft auf Fertigungsgrenzen

Superjunction-Strukturen nutzen benachbarte p- und n-dotierte Säulen, deren Raumladungen sich im Sperrbetrieb weitgehend kompensieren. Dadurch lässt sich die stromführende n-Region höher dotieren, als es bei einer konventionellen unipolaren Driftzone gleicher Durchbruchspannung möglich wäre. Der elektrische Widerstand sinkt. Bei den untersuchten Schottky-Dioden aus 4H-Siliziumkarbid erstreckt sich die Ladungskompensationsstruktur nur über einen Teil der Driftregion. Unterhalb der Säulen liegt zusätzlich eine schwach n-dotierte Schicht. Für diese Ausführung verwendet die Studie den Begriff Semi-Superjunction (SSJ).

Für die Herstellung der Säulen betrachtet die Studie zwei Varianten. Bei der epitaktischen Grabenfüllung mit p-dotiertem SiC (P-type trench filling, PTF) werden Gräben in einer n-dotierten Region mit p-dotiertem SiC aufgefüllt. Bei der Grabenfüllung mit n-dotiertem SiC (N-type trench filling, NTF) entsteht die n-Säule durch das Auffüllen eines Grabens in einer p-dotierten Region. Dieser Unterschied bestimmt, ob ein Hohlraum in der ladungskompensierenden p-Säule oder unmittelbar im stromführenden n-Bereich liegt.

Die Autoren untersuchen Grabenbreiten von 1,5 und 3,0 µm sowie Neigungen der Grabenseitenwände gegenüber der Vertikalen von 2°, 5° und 8°, wobei eine geometrisch ungeeignete Kombination für NTF entfällt. Die Hohlraumformen werden aus experimentellen Querschnittsaufnahmen abgeleitet und in zweidimensionale Modelle für die physikalische Bauelementsimulation (Technology Computer-Aided Design, TCAD) übernommen. Die elektrischen Kennwerte stammen aus Simulationen mit Synopsys Sentaurus. Ein darauf aufbauendes mathematisches Ersatzmodell (Response-Surface-Modell) beschreibt die Abhängigkeit der elektrischen Kennwerte von den Dotierungskonzentrationen und beschleunigt die Optimierung. Ausgewählte Entwürfe werden erneut mit TCAD geprüft.

Ein Defekt in der p-Säule lässt sich teilweise kompensieren

Liegt der Hohlraum in der p-Säule, fehlt dort ein Teil des Halbleitervolumens und damit der für die Kompensation verfügbaren Ladung ionisierter Akzeptoren. Bei unveränderter Dotierung gerät das Verhältnis zwischen p- und n-Säule aus dem Gleichgewicht. Die Durchbruchspannung sinkt.

Wie stark dieser Effekt ausfällt, zeigt die schmale PTF-Struktur mit 2° Seitenwandwinkel: Ohne Hohlraum erreicht sie in der Simulation 1.470 V Durchbruchspannung. Mit Hohlraum und unveränderter Dotierung bleiben 1.173 V. Wird die p-Dotierung an das verringerte Halbleitervolumen angepasst, steigt der Wert auf 1.324 V. Der spezifische Durchlasswiderstand bleibt in der Tabelle der Studie bei rund 0,22 mΩ·cm².

Die Anpassung stellt die über die gesamte Säulenregion integrierte Ladungsbalance wieder her. Sie beseitigt jedoch nicht die lokale Störung entlang der Säule. Deshalb bleibt gegenüber der hohlraumfreien Referenz ein Verlust von 146 V bestehen. Bei breiten PTF-Gräben fällt dieser verbleibende Verlust wesentlich kleiner aus: Die Studie nennt 15 V bei 2° und 12 V bei 5°.

In der n-Säule wird zusätzlich der Strompfad eingeengt

Bei NTF-Strukturen betrifft der Hohlraum auch den leitenden Querschnitt der n-Säule. Neben der Durchbruchspannung verschlechtert sich dadurch der Durchlasswiderstand. Für die schmale 2°-Struktur sinkt die Durchbruchspannung nach Wiederherstellung der nominalen Ladungsbalance von 1.510 auf 1.306 V. Zugleich steigt der spezifische Durchlasswiderstand laut Autoren um etwa 25 %.

Für die untersuchten NTF-Entwürfe favorisiert die Arbeit deshalb eine breite, geneigte und hohlraumfrei gefüllte Struktur. Bei PTF bleibt dagegen auch ein schmaler, nahezu senkrechter Graben mit Hohlraum eine mögliche Entwurfsoption: Sein niedriger Widerstand kann einen Teil des Nachteils bei der Durchbruchspannung aufwiegen. Welche Variante geeignet ist, hängt somit auch von der geforderten Sperrfähigkeit ab.

Kleinere Hohlräume sind nicht automatisch weniger schädlich

Für die Prozessentwicklung ist ein weiterer Befund relevant, denn die Hohlraumfläche allein beschreibt die elektrische Wirkung nur unzureichend. In den schmalen PTF-Strukturen nimmt sie mit steigendem Seitenwandwinkel ab. Dennoch verursacht die 8°-Variante nach Wiederherstellung der globalen Ladungsbalance einen größeren Verlust an Durchbruchspannung als die 2°-Variante: 254 statt 146 V.

Mit dem Winkel verändern sich zugleich Form, Position und Abstand des Hohlraums zur Säulenflanke. Diese Größen beeinflussen die lokale Ladungskompensation und Feldverteilung. Ein Prozess, der kleinere Hohlräume erzeugt, muss deshalb noch keine elektrisch günstigeren Bauelemente liefern. Für die Bewertung von Querschnittsaufnahmen ergibt sich daraus, dass Defektgeometrie und Bauelementstruktur gemeinsam betrachtet werden sollten.

Ein breiteres Dotierungsfenster braucht einen klaren Bezug

Die Simulationen zeigen außerdem eine geringere Empfindlichkeit gegenüber bestimmten Dotierungsabweichungen. Das im Paper ausgewiesene Dotierungsfenster wird durch Hohlräume teilweise deutlich breiter. Als Fenster definieren die Autoren den Bereich, in dem die Durchbruchspannung mindestens 80 % des Werts bei nominaler Ladungsbalance erreicht.

Dieser relative Bezug ist für die Interpretation entscheidend. Sinkt die Durchbruchspannung des Referenzzustands, liegt auch die 80-%-Schwelle niedriger. Ein breiteres Fenster belegt deshalb noch keine höhere Fertigungsausbeute bei einer unveränderten absoluten Sperrspannungsanforderung. Dafür müsste der zulässige Dotierungsbereich gegen genau diese Anforderung ausgewertet werden.

Der praktische Nutzen der Arbeit liegt vor allem in der gemeinsamen Optimierung von Prozess und Bauelement. Sie quantifiziert, welche elektrischen Nachteile ein Hohlraum verursacht und welche Nachteile entstehen können, wenn die Grabengeometrie allein auf dessen Vermeidung ausgelegt wird. Daraus lassen sich Kandidaten für weitere Fertigungsversuche und elektrische Prüfungen ableiten. (mr)

Bailing Zhou: „Simulation study of void impact in trench-filling-epitaxy-based 4H-SiC semi-superjunction schottky rectifiers“, Power Electronic Devices and Components, 2026, Artikel 100153.

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