Numerische Simulation von vertikalen Galliumnitrid-Leistungshalbleiterbauelementen

Halbleiterbauelemente auf Basis von Galliumnitrid (GaN) besitzen ein hohes Potential zum Einsatz in der Leistungselektronik. Die Simulation von Bauelementen ist dabei ein entscheidender Zeit- und Kostenfaktor in deren Entwicklung. Um eine Vergleichbarkeit der verschiedenen Bauelemente in der Simulation zu gewährleisten müssen die wesentlichen Kenngrößen Durchbruchspannung, Einschaltwiderstand, Leistungszahl und Schaltzeiten sowie ihre Ermittlung aus den Simulationsergebnissen für alle Bauelemente einheitlich definiert werden.

Für die Schottky-Diode und die p-n-Diode kann gezeigt werden, dass im aktuellen Bauelement die Eigenschaften der Kontakte auf GaN deutlich schlechter sind als die idealen Ergebnisse der Simulation erwarten lassen. Ein Vergleich der Durchbruchsimulation der Schottky-Diode mit Messwerten zeigt ein deutlich schlechteres Verhalten des realen Bauelements, was auf eine Vielzahl an Störstellen im aktuellen GaN-Material zurückgeführt werden kann. Durch die Anpassung der Strukturparameter von vertikaler Schottky- und p-n-Diode ist ein Vergleich der Eigenschaften möglich.

Anhand der Simulation eines quasivertikalen MOSFET konnte im Vergleich zu den Messwerten aufgezeigt werden, dass die Eigenschaften aktueller Bauelemente stark durch das Vorhandensein einer hohen Dichte an Haftstellen begrenzt werden. Beim CAVET hat besonders der Bereich der Apertur, des Gates und des Leitungskanals einen großen Einfluss auf die Bauelementeigenschaften. Im Vergleich zu Messwerten kann gezeigt werden, dass vor allem in diesem kompliziert aufgebauten Bereich deutliche parasitäre Effekte auftreten. Beim Sperrschicht-FET spielen vor allem die Kanalabmessungen eine wichtige Rolle, da diese sehr stark die Schwellspannung und damit die Bauelementeigenschaften beeinflussen. Für alle Bauelemente ergibt sich eine Verbesserung der Eigenschaften durch den Übergang von quasivertikalen zu vertikalen Strukturen.

Im Vergleich von optimierten Bauelementen mit gleichen grundlegenden Strukturparametern erfolgt eine Einordnung bezüglich der Kenngrößen.