Investigating Edge Termination in Vertical FinFET in Sentaurus

Abstract

This thesis explores edge termination techniques to optimize the breakdown voltage of vertical GaN FinFETs with a 5 µm drift layer using Sentaurus TCAD simulations. Effective edge termination is crucial for managing electric field distribution and mitigating field crowding, which can otherwise cause premature breakdown. Several methods, including field plates, beveled edges, and ion implantation, were analyzed for their performance. The simulations revealed that top beveled edges and the moat etch method deliver superior results by effectively distributing electric fields. Specifically, the top bevel technique increased the breakdown voltage of MOSFET simulations by 265 %, while the moat etch method enhanced FinFET breakdown voltage by 421 % achieving a breakdown voltage of 715 V. In contrast, ion implantation was less effective due to issues like defect generation and non-uniform doping. These findings contribute to the design and optimization of high-voltage GaN-based power devices, offering valuable insights for enhancing their reliability and performance.

Popular Abstract (Swedish)

Halvledare och transistorer är en av de mest banbrytande upptäckterna i modern tid, och är själva hjärtat i modern teknik. Halvledare är material som kan leda elektrisk ström, men bara under vissa förhållanden, vilket gör dem ovärderliga för elektroniska komponenter som transistorer, dioder och solceller. Från våra mobiltelefoner och datorer till kraftsystem och fordon, så finns komponenter gjorda av halvledare överallt och fyller olika funktioner beroende på design och material. För att förstå hur olika designval påverkar prestandan används avancerade simuleringar, vilket är ett centralt tema i denna masteruppsats.
En transistor är en av de mest grundläggande byggstenarna inom elektronik. De är ofta bara några få nanometer stora och gjorda av kisel. De fungerar som en strömbrytare eller förstärkare och gör det möjligt att styra elektriska signaler. Med miljarder transistorer inbyggda i dagens datorchip har de blivit avgörande för utvecklingen av snabbare och mer energieffektiva elektroniska enheter.
Men med takt på att teknologin utvecklas ställs allt högre krav på transistorer att vara små, kraftfulla och effektiva. Detta är speciellt viktigt för tillämpningar, som kraftelektronik – till exempel laddare för elbilar, rymdteknik eller energihantering. Här måste komponenterna tåla höga spänningar och strömmar, vilket innebär att kisel ofta inte längre räcker till. En typ av transistor som har revolutionerat industrin är vertikala FinFET (fin field-effect transistor) transistorer gjorda av Gallium-nitrid (GaN). Namnet på FinFETen kommer från dess unika struktur, som liknar en fena (”fin”) som sticker upp från underlaget. Den tredimensionella designen gör det möjligt att kontrollera strömmen mer precist och minska energiförluster. GaN har även flera fördelar över kiseln, som högre elektrisk ledningsförmåga, större termisk stabilitet och förmåga att hantera högre spänningar. Detta gör GaN FinFETs särskilt attraktiva för kraftkomponenter och erbjuder stora möjligheter att optimera prestanda.
En central egenskap för transistorer inom kraftelektronik är deras förmåga att hantera höga spänningar utan att gå sönder. Detta mått kallas breakdown voltage (“sönderfallsspänning”) och är avgörande för att garantera tillförlitlighet och säkerhet i elektroniska system. Ju högre breakdown voltage en transistor har, desto mer effekt kan den hantera. För att maximera breakdown voltage i GaN FinFETs används en teknik som kallas edge termination. Detta innebär att man designar och formar transistorns kanter så att elektriska fält fördelas jämnt. Om detta inte görs kan koncentrationen av elektriska fält bli för hög vid vissa punkter, vilket leder till att materialet bryts ner vid lägre spänningar. Genom att optimera edge termination kan man drastiskt öka breakdown voltage och transistorn kan därmed hantera högre spänningar och samtidigt behålla en kompakt design.
Eftersom vertikala GaN FinFETs är en ny och lovande teknologi, är simuleringar ett viktigt verktyg för att utforska olika designparametrar. Genom att simulera en befintlig transistor och kalibrera modellen mot verkliga enheter kan forskare undersöka effekterna av olika designval utan att tillverka varje prototyp. Detta sparar tid och resurser samtidigt som det ger värdefull insikt i hur dessa avancerade komponenter kan optimeras.
Denna masteruppsats har fokuserat på att maximera breakdown voltage i GaN FinFETs genom att använda edge termination. Simuleringar har genomförts på GaN FinFETs med olika metoder för edge termination, där varje metod har anpassats och optimerats för att uppnå ett så högt breakdown voltage som möjligt. De olika metoderna har sedan jämförts för att utvärdera deras effektivitet. Genom att använda simuleringar som verktyg för att optimera edge termination och andra parametrar, bidrar forskningen till utvecklingen av effektivare och mer pålitliga komponenter för kraftelektronikens framtid. GaN FinFETs representerar ett spännande steg framåt i halvledarteknologin och har potentialen att spela en avgörande roll i morgondagens energilösningar.

• author: Kycyku, Hilmi
• supervisor: Erik Lind
• organization: Department of Electrical and Information Technology
• course: EITM01 20241
• year: 2025
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Edge Termination Vertical GaN FinFET Breakdown Voltage Sentaurus TCAD Field Crowding Mitigation Power Electronics Breakdown Voltage
• report number: LU/LTH-EIT 2025-1042
• language: English
• id: 9185935
• date added to LUP: 2025-03-19 10:05:43
• date last changed: 2025-03-19 10:05:43