Fabrication and electrical characterization of ultra-thin substrate IGBT

Abstract

Current topics such as electro-mobility and renewable energy demand the development of power devices with high voltage and current ratings along with minimum switching losses. Amongst the power devices in today’s market, IGBTs have gained a lot of significance in this field over its competitors like Power MOSFETS and Thyristors. Today’s industry has recently taken a huge step in this direction to implement the use of thin-wafer technology for fabrication of IGBTs to reduce the on-resistance. However, this comes with a complexity of handling these thin wafers which demands the need of high end robotics. For research work, accesses to such resources are not feasible and if we are not able to fabricate device which the industry is fabricating today, we cannot add improvements to it and hence the research in this domain becomes restricted. The primary objective of this thesis work is to develop a technology for fabrication of Ultra-Thin substrate IGBT which can be achieved at any standard semiconductor research facility and in the course, reducing the on-resistance of the device wherever possible. The most promising solution was the use of Ultra-Thin Si-membranes as a substrate for fabrication. These Si-membranes were fabricated by anisotropic etching of Si wafers by TMAH. IGBT being a four-layered device, the required layers were deposited on the Si-membrane by MBE to achieve very thin and distinct layers which would minimize the on-resistance. Uniquely the Gate terminal of the device was structured on the sidewall of the mesa structure as opposed to conventional trench gate structures. The device with such dimension and structure was initially simulated by the device simulator ATLAS from Silvaco to verify the working of the device and to have a general idea of what kind of a characteristics to expect from the fabricated device. Thereafter the devices were successfully fabricated at our research facility at IHT. Even though there were numerous technical challenges and difficulties, the technology proved to be robust and we were able to fabricate the first IGBT at IHT even in the first run. The electrical characteristics showed a good forward characteristics of the device with good gate response and high on-current to off-current ratio but the reverse characteristics of the device showed unusual characteristics which is also investigated in this thesis work.

Aktuelle Themen wie Elektromobilität und erneuerbare Energien die Nachfrage die Entwicklung der Stromversorgung mit Hochspannung und Strom mit minimalen Schaltverluste . Unter den Power-Geräte auf dem heutigen Markt, haben IGBTs eine Menge von Bedeutung in diesem Bereich gewonnen gegenüber seinen Wettbewerbern wie Leistungs-MOSFETs und Thyristoren. Die heutige Industrie hat vor kurzem einen großen Schritt in diese Richtung unternommen, um den Einsatz von Thin - Wafer-Technologie für die Herstellung von IGBTs implementieren, um die On-Widerstand zu verringern. Allerdings kommt diese mit einer Komplexität von Umgang mit diesen dünnen Wafern, die die Notwendigkeit von High-End- Robotik verlangt. Für Forschungsarbeiten, greift zu solchen Ressourcen nicht durchführbar sind und wenn wir nicht in der Lage, Geräte herzustellen, welche die Branche Herstellung von heute sind, wir können keine Verbesserungen zu und damit die Forschung in diesem Bereich wird eingeschränkt. Das primäre Ziel dieser Diplomarbeit ist es, eine Technologie zur Herstellung von Ultra-Thin Substrat IGBT, die in jedem Standard-Halbleiter- und Forschungseinrichtung im Rahmen getan werden kann, um so der On-Widerstand des Gerätes wo immer möglich. Die vielversprechendsten Lösung war die Verwendung von Ultra-Thin Si-Membranen als Substrat für die Herstellung. Eindeutig dem Gate-Anschluß der Vorrichtung wurde an der Seitenwand der Mesa-Struktur aufgebaut, im Gegensatz zu herkömmlichen Trench-Gate-Strukturen. Das Gerät mit einer solchen Dimension und Struktur war zunächst simuliert, indem das Gerät aus -Simulator ATLAS Silvaco um das Funktionieren des Geräts zu überprüfen und um eine allgemeine Vorstellung davon, welche Art von einem Merkmale aus dem Gerät hergestellt erwarten. Danach wurden die Geräte erfolgreich an unserer Forschungsanlage im IHT hergestellt. Obwohl es zahlreiche technische Herausforderungen und Schwierigkeiten, erwies sich die Technik als robust und wir konnten die ersten IGBT an aus Labor herzustellen sogar im ersten Lauf. Die elektrischen Eigenschaften zeigte eine gute vorwärts Merkmale des Geräts mit guter Reaktion und hohe Gate- on- Strom off- Strom-Verhältnis, aber die umgekehrte Merkmale des Geräts zeigten ungewöhnliche Eigenschaften, die auch in dieser Diplomarbeit untersucht.