Modellierung, Charakterisierung und Design von PIN-Dioden zur Nutzung als ESD-Schutzstrukturen und Hochleistungsbauelementen

Mit der Entdeckung des Gleichrichter-Effekts 1873 wurde der theoretische Grundstein für die Halbleiter-Diode gelegt. Heutzutage sind Dioden auf nahezu allen elektronischen Schaltungen zu finden. Sie erfüllen dabei unterschiedlichste Aufgaben und finden Anwendung zum Beispiel als Gleichrichter, RF-Widerstand oder ESD-Schutzstruktur. Dioden basieren auf einem p/n-Übergang, welcher den Stromfluss in eine Richtung passieren lässt und in die andere Richtung sperrt. Bei PIN-Dioden wird zwischen der p-dotierten und der n-dotierten Zone noch ein intrinsisches bzw. niedrig dotiertes Gebiet eingefügt. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Silizium- und GaAs- basierte PIN-Dioden für den Einsatz als ESD-Schutzstruktur und für Anwendungen in der Leistungselektronik untersucht. Mit Hilfe von TCAD-Simulationen wurden verschiedene Eigenschaften der PIN-Dioden unter Einwirkung eines ESD-Ereignisses analysiert. Die Bildung und Bewegung von Stromfilamenten konnte dabei beobachtet werden. Es stellte sich heraus, dass die Geometrie der Schutzdiode einen direkten Einfluss auf deren Lebensdauer hat. Es konnten Designvorschläge für ein optimiertes ESD-Schutzverhalten gemacht werden. Zur Validierung der Ergebnisse wurden verschiedene PIN-Dioden hergestellt und mittels TLP-Messung charakterisiert. Bei sehr schmalen Strukturgrößen konnten mehrere Spannungsabfälle beobachtet werden, was auf das Vorhandensein mehrerer Stromfilamente hindeutet. Diese Vermutung konnte anhand von TCAD-Simulationen bestätigt werden. Zur Analyse eines Layouts auf dessen ESD-Robustheit sind zeitintensive TCAD-Simulationen ungeeignet. Aus diesem Grund wurden auf Basis der TLP-Messungen und TCAD-Simulationen layoutabhängige Kompaktmodelle entwickelt. Diese ermöglichen eine schnelle Simulation der rückläufigen Kennlinie einer in Sperrrichtung vorgespannten PIN-Diode. Zusätzlich konnten die Bildung und Bewegung eines Stromfilaments nachgebildet werden. Im Hinblick auf Anwendungsmöglichkeiten in der Leistungselektronik, wurden Untersuchungen an GaAs-basierten PIN-Dioden durchgeführt. Diese zeichnen sich vor allem durch deutlich höhere Durchbruchspannungen aus. Mit TCAD-Simulationen und Hochspannungsmessungen wurden die Dioden charakterisiert. Aus den gewonnenen Erkenntnissen konnte ein analytisches Modell abgeleitet werden, was eine Optimierung der Diodenstruktur im Hinblick auf die Durchbruchspannung ermöglichte.