Kurzfassung

Die Entwicklung von Smart Power Technology eröffnet eine Fülle von neuen Vorteilen hinsichtlich erhöhter Zuverlässigkeit, Verringerung der Schnittstellen, geringeren Gewicht und kleinerer Abmessungen der Komponenten. Es wurde ein Markt für monolithisch integrierte Schaltungen geschaffen, welche auch Sensoren und Schutzfunktionen beinhalten. Diese Technologie basiert auf der Integration von Schnittstellenschaltungen, Sensoren, Schutzschaltkreisen sowie Leistungsbauelementen. Die Schnittstellenfunktion wird mit komplementären Feldeffekttranistorschaltungen (CMOS) realisiert, die speziell für Umgebungen konzipiert werden, die durch hohe Temperaturen charakterisiert sind.

Diese Dissertation beschäftigt sich mit der Beschreibung und Analyse von neuen Leistungsbauelementen, die für Anwendungen dieser Smart Power Technology herangezogen werden können. Neue Strukturen mit erst kürzlich entwickelten Konzepten werden untersucht und als potentielle Kanditaten für diese Technologie vorgeschlagen. Eine Untersuchung über verwandte Leitungsbauelemente und deren Eigenschaften wird durchgeführt. Die Hauptanforderungen und Zielkonflikte zwischen den Bauteilcharakteristika für die Smart Power Technology werden während dieser Untersuchung aufgeführt.

Um exakte Simulationsergebnisse zu erhalten sowie neue Bauelementstrukturen untersuchen zu können, ist ein tiefgehendes Verständnis des Ladungsträgertransports und der physikalischen Modelle unverzichtbar, weshalb diese beiden Themen ausführlich diskutiert werden.

Laterale Leistungsbauelemente sind für Anwendungen im Automobil und Telekommunikationsbereich weit verbreitet. Die wichtigsten Parameter bezüglich der Leistungsfähigkeit dieser Strukturen sind der Durchlaswiderstand $R_\mathrm{on}$, die Durchbruchspannung sowie die verschiedenen Schaltzeiten. Zwischen $R_\mathrm{on}$ und Durchbruchspannung besteht ein zu lösender Zielkonflikt, wobei eine Reduktion von $R_\mathrm{on}$ bei gleichbleibender Durchbruchspannung eines der wichtigsten Ziele hinsichtlich der Smart Power Devices darstellt.

Neue Konzepte wie Super Junction und laterale Trench Gate werden untersucht und erweitert, um die Charakteristiken der lateralen Strukturen im eingeschaltenen Zustand zu verbessern. Bei einer angenommen Balance der Ladungsträger zwischen dem n- und p-Bereich der Driftregion der Super Junction-Struktur kann das Drift Doping drastisch angehoben werden.

Bei lateral Trench Gate Bauelementen befindet sich der Gate Kontakt lateral an der Seitenwand des Grabens, daher ist der Stromfluss lateral gerichtet. Dies erlaubt eine Vergrößerung der Kanalfläche und verringert den Widerstand der Struktur im eingeschaltenen Zustand. Weiters wird eine unbalancierte Super Junction-Struktur mit einer größeren n-Bereichsweite vorgeschlagen, um den leitenden Bereich der Driftregion zu vergrößern. Für diese Untersuchungen wurden zwei- und dreidimensionale Simulationen herangezogen, sowohl um das Verhalten zu untersuchen als auch die Bauelemente zu optimieren.