Interview mit Dr. Gerald Deboy, Infineon CoolMOS – Hintergründe und Ausblicke einer Erfolgsstory

Dr. Gerald Deboy (rechts), einer der Väter des »CoolMOS«, im Gespräch mit Redakteur Ralf Higgelke, DESIGN&ELEKTRONIK.
Dr. Gerald Deboy (rechts), einer der Väter des »CoolMOS«, im Gespräch mit Redakteur Ralf Higgelke, DESIGN&ELEKTRONIK.

Kaum ein Bauteil hat die Leistungshalbleiterei so nachhaltig verändert wie der »CoolMOS«. Einer, der zum Entwicklerteam gehörte, ist Dr. Gerald Deboy, heute Senior Principal bei Infineon. Die DESIGN&ELEKTRONIK sprach mit ihm über Geschichte, Gegenwart und Zukunft dieser Erfolgsstory.

Herr Dr. Deboy, Sie gelten in Asien als »Mr. CoolMOS«. Was meinen Sie: Ist das gerechtfertigt?

Dr. Gerald Deboy: Natürlich sind an einem Projekt wie CoolMOS viele Leute beteiligt. Insofern kann ich nicht für mich in Anspruch nehmen, »Mr. CoolMOS« zu sein. Tatsächlich war ich aber gerade in der Anfangszeit des CoolMOS sehr oft in Asien und habe die Kunden vor Ort unterstützt. Dadurch war ich für einige der asiatischen Kunden schlicht das »Gesicht« des CoolMOS.

Ich habe gelesen, dass Dr. Jenö Tihanyi, das Funktionsprinzip von Superjunction-MOSFETs schon in den 1980er Jahren beschrieben hat, doch die Umsetzung erwies sich als kompliziert. Erzählen Sie uns ein bisschen davon.

Das Konzept kann man in der Tat weit zurückverfolgen. Shirota und Kaneda haben bereits 1978 eine Varactor-Diode mit einer Abfolge mehrerer pn-Übergänge beschrieben, wie sie für Superjunction typisch ist – allerdings um 90 Grad gedreht. Nur ein Jahr später beschrieb Appels das sogenannte RESURF-Prinzip; kurz für »Reduced Surface Field«. Eine zentrale Rolle bei der Entwicklung spielte eine Forschergruppe von Philips in England. Diese hatte festgestellt, dass der Einschaltwiderstand lateraler Transistoren sinkt, wenn man unter die leitende n-Schicht eine p-dotierte Schicht legt. Aus diesem Umfeld stammt das erste Schlüsselpatent: das von David J. Coe aus dem Jahr 1988, in dem er nicht nur ein pn-Paar sondern mehrere pn-Paare übereinanderstapelt.

Um noch die Rolle und Bedeutung von Dr. Tihanyi kurz zu skizzieren: Er hat im Jahr 1980 in einem Entwicklungsbericht der Siemens-Halbleitersparte das Konzept beschrieben, auf dem der heutige CoolMOS beruht. Damals sprach er davon, dass dies »offensichtlich der ideale Transistor« sei. Damit gab er eine visionäre Antwort auf die Frage, wie das Siliziumlimit zu brechen sei. Allerdings meldete er diese Idee nicht zum Patent an, das Schlüsselpatent für Superjunction ist daher tatsächlich das von Coe aus dem Jahr 1988.

Und welchen Beitrag haben nun Sie bei der Verwirklichung des CoolMOS geleistet?

Das Bauteil war so nicht zu fertigen; das war die Haupthürde. In der Anfangszeit ging es deshalb darum, wie sich ein solches Bauelementkonzept verwirklichen lässt. Auf dem Papier und in der Simulation hat es funktioniert, in der Praxis nicht.

Warum nicht?

Das Prinzip des CoolMOS beruht darauf, den Einschaltwiderstand massiv zu reduzieren. Dazu müssen wir die Dotierung in der stromtragenden n-Region erhöhen. Um gleichzeitig sicherzustellen, dass das Bauelement immer noch sperrt, müssen wir die additive Ladung durch entsprechende p-Säulen gegenkompensieren. Von daher stammt auch die alternative Bezeichnung »Kompensationsbauelement«, die wir eingeführt haben. Durchgesetzt hat sich aber der von Dr. Tatsuhiko Fujihira geprägte Begriff Superjunction. Diese Bezeichnung bezieht sich darauf, dass die Oberfläche des sperrenden pn-Übergangs sehr groß ist.

Angenommen, wir hätten also ein perfekt kompensiertes Bauelement, den idealen Superjunction-MOSFET mit gleich viel n- wie p-Dotierung. Der Verlauf des elektrischen Feldes wäre dabei flach. Das Feld würde dann gemäß der Poisson-Gleichung einen Gradienten von Null aufweisen. Tritt nun aber eine kleine Störung auf – sei es, dass die Ladung nicht exakt kompensiert ist oder das Bauteil in den Avalanche-Modus geht –, dann klappt das vorher flache elektrische Feld nach einer Seite herunter …

… und die durch Stoßionisation erzeugten freien Ladungsträger rutschen bildlich gesprochen wie eine Lawine auf dieser nun schiefen Ebene herunter.

Ganz genau! Und zwar tun sie das an einer einzigen Stelle, sodass der Strom filamentiert.

Aber zurück zu Ihrer Frage, wie nun mein Beitrag zum CoolMOS aussieht. Zunächst war ich Teil des Teams, das die Technologien bereitgestellt hat. Doch an dieser Stelle waren Kollegen wie Dr. Hans Weber wesentlich wichtiger. Mein Beitrag lag auf der Konzeptseite, insbesondere wie das Bauelement aufgebaut werden muss, damit es elektrisch stabil ist und fertigbar wird. Das war letztlich der Durchbruch. Hieraus sind die Basispatente entstanden, die wir 1998 angemeldet haben. In diesen Patenten ist definiert, wie die p- und n-Säulen auszulegen sind. Die Dotierungsverhältnisse sind dabei nicht gleich, sondern unten, in der Mitte und oben jeweils anders. Das ist der entscheidende Punkt dafür, dass das Bauelement mit hoher Ausbeute fertigbar ist und dass es eine entsprechende Avalanche-Fähigkeit aufweist.