Ανάπτυξη μικρομετρικών τρανζίστορ εγκάρσιου πεδίου από καρβίδιο του πυριτίου (SiC)
Authors: Στεφανάκης Διονύσιος 
Published: September 2021

Η προσομοίωση με τη μέθοδο πεπερασμένων στοιχείων έχει αναδειχθεί σε κύριο και σημαντικό εργαλείο που μπορεί να εξηγήσει τη φυσική συμπεριφορά ηλεκτρονικών διατάξεων. Λαμβάνοντας υπ’όψιν δεδομένα από κατασκευασμένες διατάξεις και με μια διαδικασία ανάδρασης μεταξύ των αποτελεσμάτων και των μετρήσεων, μπορεί κανείς να εξηγήσει τη λειτουργία της διάταξης. Παρότι αυτό έχει επιτευχθεί σε άριστο βαθμό σε ηλεκτρονικές διατάξεις πυριτίου, δεν συμβαίνει το ίδιο με το καρβίδιο του πυριτίου. Το καρβίδιο του πυριτίου (SiC - silicon carbide) χρησιμοποιείται εκτενώς την τελευταία δεκαετία, τόσο τα σχετικά μοντέλα φυσικής όσο και οι παράμετροί τους, επιδέχονται πολλές βελτιώσεις, μια και υπάρχουν αρκετές ασάφειες – αβεβαιότητες που η αδυναμία τους φαίνεται εύκολα στον προσομοιωτή. Σκοπός της εργασίας αυτής είναι η καθιέρωση ρητής διαδικασίας για την επίτευξη αξιόπιστων αποτελεσμάτων προσομοίωσης με TCAD εργαλεία. Μελετήθηκαν οι φυσικοί παράμετροι και ιδιότητες του 4H-SiC, αναλύθηκαν διαθέσιμα μοντέλα, και προτάθηκαν οι βέλτιστες τιμές παραμέτρων για κάθε του ιδιότητα. Τα μοντέλα όπως και οι παράμετροι τους, αρχικά επιλέχθηκαν από μια γκάμα της βιβλιογραφίας. Τα καλύτερα μοντέλα και οι παράμετροι τους αποτελούν ένα «σετ» που όταν χρησιμοποιείται στις προσομοιώσεις, μπορεί να παριστά σωστά τη φυσική (ηλεκτρική) συμπεριφορά του 4H-SiC ως υλικό. Το εργαλείο προσομοίωσης ATLAS της SILVACO είναι το επιλεγμένο μας εργαλείο προσομοίωσης και περιέχει από μόνο του ένα προκαθορισμένο σετ μοντέλων και παραμέτρων. Η εξέταση κατά πόσο ανταποκρίνονται στην πραγματικότητα, διερευνήθηκε αρχικά μέσω προσομοιώσεων διόδων της βιβλιογραφίας. Οι δίοδοι αυτές περιέχουν και δομές «τερματισμού» που έχουν ως σκοπό την προστασία της διάταξης από πρόωρη κατάρρευση. Κατά τις προσομοιώσεις προσαρμόζεται κάθε φορά το σετ προσομοίωσης μέχρι να αποκτηθούν ικανοποιητικά αποτελέσματα σε σχέση με τα πειραματικά δεδομένα. Ταυτόχρονα, με τις προσαρμογές αυτές γίνεται και η επιλογή της καλύτερης διάταξης τερματισμού. Στο τέλος αυτής της διαδικασίας προτείνεται ένα σωστό σετ προσομοίωσης, τόσο για το λογισμικό ATLAS της SILVACO όσο και για άλλους παρόμοιους προσομοιωτές. Ένα τρανζίστορ, το TSI-VJFET, κατασκευάστηκε στο Microelectronics Research Group (MRG) της FORTH Κρήτης (ΙΤΕ). Για τη σωστή περιγραφή της λειτουργίας του TSI-VJFET (σε οποιαδήποτε χρήση), πρωταρχική σημασία έχει η σωστή περιγραφή της DC λειτουργίας του. Έτσι η προσομοίωση του αντίστοιχου εγγενούς καθώς και το εξωγενούς τρανζίστορ θεωρείται απαραίτητη. Σε πρώτη προσέγγιση έχει αποδειχθεί ότι το εγγενές τρανζίστορ θεωρητικά θα μπορούσε να είναι αρκετό για να προβλέψει βασικά DC χαρακτηριστικά τρανζίστορ. Τα αποτελέσματα προσομοίωσης του εγγενούς και του εξωγενούς τρανζίστορ συγκρίθηκαν με τα πειραματικά δεδομένα του TSI-VJFET της FORTH και βρέθηκε ότι δεν υπάρχει καλή σύμπτωση μεταξύ προσομοιωμένων και μετρημένων χαρακτηριστικών. Το σετ προσομοίωσης που αναπτύχθηκε σε αυτήν τη διατριβή, επιτυγχάνει τουλάχιστον 80% συμφωνία μεταξύ προσομοιωμένων και μετρημένων χαρακτηριστικών. Το σημαντικό όφελος από την εργασία αυτή είναι τόσο η ανάδειξη του καλύτερου σετ προσομοίωσης όσο και η πρόταση συγκεκριμένων βημάτων που προτείνονται ως μεθοδολογία για μια επιτυχημένη και ακριβή προσομοίωση. Η μέθοδος αυτή προσομοίωσης εφαρμόστηκε με το εργαλείο ATLAS, διεξάχθηκε για πρώτη φορά σε αυτήν την διατριβή, και προτείνεται για κάθε μελλοντική χρήση προσομοιώσεων 4H-SiC ηλεκτρονικών διατάξεων.