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Die 4H-SiC/SiO2-Grenzfläche in SiC-basierten Power-MOSFETs

Autor / Redakteur: Gregor Pobegen, Hans-Joachim Schulze * / Gerd Kucera

Dieser Artikel gibt einen aktuellen Einblick in den Stand der weltweiten Forschung zum Verständnis der Eigenschaften der 4H-SiC/SiO2-Grenzfläche, dem zentralen Element von SiC-basierten MOSFETs.

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Bild 4: Hochauflösendes Transmissionselektronen-Mikroskopbild der 4H-SiC/SiO2-Grenzfläche des CoolSiC-MOSFET. Im SiC ist die regelmäßige Anordnung der Si- und C-Atome zu sehen. Das SiO2 ist amorph und daher unregelmäßig angeordnet. Aufgrund der Verkippung des Substrats um 4 Grad gegenüber der Oberfläche entstehen kleine Stufen (step bunching).
Bild 4: Hochauflösendes Transmissionselektronen-Mikroskopbild der 4H-SiC/SiO2-Grenzfläche des CoolSiC-MOSFET. Im SiC ist die regelmäßige Anordnung der Si- und C-Atome zu sehen. Das SiO2 ist amorph und daher unregelmäßig angeordnet. Aufgrund der Verkippung des Substrats um 4 Grad gegenüber der Oberfläche entstehen kleine Stufen (step bunching).
(Bild: Infineon)

Siliziumkarbid-basierte Power-MOSFETs weisen einige besondere Eigenschaften auf. Sie ermöglichen infolge des im Vergleich zu Silizium-basierten Bauelementen deutlich größeren Bandabstands eine um etwa eine Größenordnung erhöhte kritische maximale Feldstärke, wodurch für eine bestimmte angestrebte Sperrfähigkeit der Bauelemente eine deutlich verringerte vertikale Ausdehnung der Drift-Zone ermöglicht wird. Aus diesem Grund erfordern SiC-MOSFETs nur etwa 10% der Drift-Zonendicke von Silizium-MOSFETs, um eine bestimmte Sperrfähigkeit zu ermöglichen. Dies wiederum bedingt eine erhebliche Reduzierung der Durchlassverluste dieser Power-MOSFETs und eine gesteigerte Strombelastbarkeit.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus den relativ geringen Kapazitäten dieser Bauelemente, die relativ hohe Schaltfrequenzen ermöglichen. Auch die höhere Wärmeleitfähigkeit und die größere spezifische Wärmekapazität von SiC tragen zu einem besseren Wärmemanagement bei. Im Vergleich zu Si-basierten Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBTs) sind die Schaltverluste infolge des unipolaren Stromflusses der SiC-MOSFETs signifikant geringer; daher sind MOSFETs für hochfrequente Anwendungen zu bevorzugen.

Einsatzbereiche von SiC-MOSFETs

Diese speziellen Eigenschaften der SiC-MOSFETs ermöglichen in vielen Applikationen dieser Bauelemente relevante Vorteile. Insbesondere für die Verwendung in Schaltnetzteilen sind SiC-basierte MOSFETs eine sinnvolle Wahl. Für Traktionsanwendungen und zum Einsatz in der Automobilelektronik, und hierbei insbesondere für die Elektromobilität, wirken sich vor allem das geringere Gewicht passiver Komponenten und die relativ geringe Größe der SiC-basierten Komponenten vorteilhaft auf das Gesamtsystem aus. Auch in der Medizintechnik oder für Solarwechselrichter können SiC-MOSFETs infolge deren spezieller Eigenschaften vorteilhaft eingesetzt werden.

Im Vergleich zu Siliziumleistungshalbleitern ist bei SiC-MOSFETs jedoch zu berücksichtigen, dass hier eine andere Defektkinetik und insbesondere auch niedrigere Kanalbeweglichkeiten vorliegen, die spezielle Maßnahmen erfordern, um den Einfluss dieser Effekte zu minimieren. Hierbei spielt insbesondere die Grenzfläche zwischen dem SiC-Halbleiter und dem Gateoxid eine entscheidende Rolle.

Die 4H-SiC/SiO2-Grenzfläche ist Kern des CoolSiC-MOSFET

Das wichtigste Element eines jeden Metall-Oxid-Halbleiter Feldeffekttransistors (MOSFET) ist die stromführende Grenzfläche zwischen dem Halbleiter und dem Dielektrikum. 2017 wurde der auf Siliziumkarbid basierte CoolSiC-MOSFET von Infineon Technologies auf der PCIM vorgestellt. Auch für diesen CoolSiC-MOSFET ist die Qualität dieser Grenzfläche von enormer Wichtigkeit, da sie einen erheblichen Einfluss auf den Durchlasswiderstand und damit auf die Verlustleistung des fertigen Transistors hat.

Infineon nutzt für die Herstellung des Leistungstransistors den 4H-Kristallpolytyp von Siliziumkarbid. 4H-SiC besitzt eine hexagonale Gitterstruktur, bei der sich die Kristallstruktur nach jeweils vier Kristall-Lagen immer wiederholt. Kommerziell erhältliche Scheiben für die Herstellung elektronischer Bauelemente werden heute gewöhnlich auf der Silizium-Seite poliert angeboten. In diesen kann das so genannte a-face des SiC-Kristalls durch Ätzung von weniger als einem Mikrometer tiefen Gräben (trench) freigelegt werden. Der Stromfluss des Transistors passiert damit vertikal von der Ober- zur Unterseite des SiC-Kristalls. Die a-face-Kristalloberfläche hat herausragende Eigenschaften gegenüber anderen Kristallflächen von 4H-SiC, sprich höhere Beweglichkeiten der Elektronen im MOSFET-Kanal und damit niedrigere Durchlasswiderstände des fertigen Transistors. Bild 1 zeigt den Aufbaus des CoolSiC-MOSFET.

Die wichtigste Kennlinie für die Charakterisierung eines MOSFETs ist die so genannte Transferkennlinie, bei der die Abhängigkeit des Ausgangsstroms des Transistors (Drain-Strom) gegenüber der Steuergröße des MOSFET (Gate-Spannung) aufgetragen wird. Bild 2 zeigt ein Beispiel für eine solche Transferkennlinie mit der Einsatzspannung VTH (englisch threshold voltage).

Bild 2: Beispiel für eine Transferkennlinie eines CoolSiC-MOSFET mit linearer und logarith­mischer y-Achse.
Bild 2: Beispiel für eine Transferkennlinie eines CoolSiC-MOSFET mit linearer und logarith­mischer y-Achse.
(Bild: Infineon)

Trägt man auf der Y-Achse den Drain-Strom nicht linear, sondern logarithmisch auf, sieht man mehr Details unterhalb der Einsatzspannung, im Sub-threshold-Bereich. Auffallend ist hier, dass nur dann, wenn man die Aufnahme der Kennlinie bei negativen Gate-Spannungen beginnt und in Richtung positiver Gate-Spannungen fortsetzt, die Kennlinie unterhalb der VTH verändert ist. Man spricht bei diesem Effekt von einer Sub-threshold-sweep-Hysterese. Auf den ersten Blick ist dieser Effekt ungewohnt, da er in Silizium-basierten Transistoren kaum sichtbar ist. Er ist ausgeprägter nur bei SiC-basierten Transistoren und hier besonders bei der Trench-Technolgie. Im nachfolgenden Abschnitt ist die physikalische Ursache für diesen Effekt und seine Eigenschaften beschrieben.

Physikalische Ursache der Sub-threshold-sweep-Hysterese

Wenn bei der Messung einer Transferkennlinie eine negative Gate-Spannung angelegt wird, bewegen sich Löcher aus dem p-dotierten Gebiet des SiC zur SiO2-Grenzfläche. An dieser Grenzfläche befinden sich kristallographische Punktdefekte im SiC genauso wie im SiO2, schon alleine aufgrund der unterschiedlichen Gitterabstände der beiden Kristalle. Nicht jedes Si- oder C-Atom kann einen Bindungspartner im SiO2 finden, da einfach nicht genügend benachbarte Atome zur Verfügung stehen. Es entstehen ungepaarte Elektronen, dangling bonds genannt, welche elektrisch umgeladen werden können und damit die Elektrostatik des Transistors beeinflussen.

Im speziellen Fall der Sub-threshold-sweep-Hysterese konnte zuerst nur bestimmt werden, dass es sich um Grenzflächenzustände handelt, die energetisch im Bereich der Mitte der Energie-Bandlücke von 4H-SiC liegen. Hier versteckt sich auch der Grund, warum dieser Effekt bei Trench-SiC-MOSFETs verstärkt auftritt: die dabei benutzte a-face des 4H-SiC-Kristalls hat eine höhere Grenzflächenzustandsdichte nahe der Mitte der Bandlücke als die Si-face, die bei konventionellen, lateralen SiC-MOSFETs verwendet wird. Auch bei lateralen SiC-MOSFETs gibt es also die Sub-threshold-sweep-Hysterese, sie ist aber kleiner als bei Trench-SiC-MOSFETs.

Bild 3: Schematische Darstellung des PbC-Punktdefekts an der 4H-SiC/SiO2-Grenzfläche.
Bild 3: Schematische Darstellung des PbC-Punktdefekts an der 4H-SiC/SiO2-Grenzfläche.
(Bild: Infineon)

Um diesen Effekt bis ins letzte Detail zu verstehen, wurden die SiC-MOSFETs mit Elektronenspinresonanz-Spektroskopie untersucht. Dabei nutzt man aus, dass sich die Energieniveaus von ungepaarten Elektronen in einem Magnetfeld aufspalten; aus einem Energieniveau werden dadurch zwei (Zeeman-Effekt). Bringt man durch Bestrahlung des MOSFETs mit einer elektromagnetischen Welle definierter Frequenz genau diese Energiedifferenz auf, kommt es zur Resonanz. Da das lokale Magnetfeld des ungepaarten Elektrons auch von den Nachbaratomen beeinflusst wird, kann man Rückschlüsse auf die lokale Umgebung des Elektrons ziehen. Im konkreten Fall des SiC-MOSFETs zeigte sich, dass das Elektron an einem Kohlenstoffatom nahe der SiC/SiO2-Grenzfläche sitzt. Diesem Kristalldefekt wurde der Name PbC center gegeben. Das Bild 3 zeigt eine schematische Darstellung dieses Kristalldefekts.

Bild 4: Hochauflösendes Transmissionselektronen-Mikroskopbild der 4H-SiC/SiO2-Grenzfläche des CoolSiC-MOSFET. Im SiC ist die regelmäßige Anordnung der Si- und C-Atome zu sehen. Das SiO2 ist amorph und daher unregelmäßig angeordnet. Aufgrund der Verkippung des Substrats um 4 Grad gegenüber der Oberfläche entstehen kleine Stufen (step bunching).
Bild 4: Hochauflösendes Transmissionselektronen-Mikroskopbild der 4H-SiC/SiO2-Grenzfläche des CoolSiC-MOSFET. Im SiC ist die regelmäßige Anordnung der Si- und C-Atome zu sehen. Das SiO2 ist amorph und daher unregelmäßig angeordnet. Aufgrund der Verkippung des Substrats um 4 Grad gegenüber der Oberfläche entstehen kleine Stufen (step bunching).
(Bild: Infineon)

Wie wird man nun Herr über diesen physikalischen Effekt, der eine sehr natürliche Ursache hat, nämlich die unveränderbaren Kristallstrukturen von 4H-SiC und SiO2?Die Lösung besteht darin, die ungesättigten Bindungen an der Grenzfläche mit einem anderen Atom zu passivieren, sodass sich wieder reguläre Bindungen aus einem Elektronenpaar bilden, die nicht elektrisch umgeladen werden können. Bei SiC funktioniert diese Passivierung mit Stickstoff (N). Dabei muss sich aber der Stickstoff möglichst nur an der SiC/SiO2-Grenzfläche einbauen. Denn im SiO2 würde der Stickstoff wiederum einen Kristalldefekt bilden, der negative Auswirkungen auf die Stabilität des Transistors haben kann.

Bild 5: Elektronen­energieverlust des Stickstoffs an der Grenzfläche.
Bild 5: Elektronen­energieverlust des Stickstoffs an der Grenzfläche.
(Bild: Infineon)

Im SiC fungiert Stickstoff außerdem als n-Dotierung und muss deshalb auch in der Konzentration kontrolliert werden. Bei SiO2 auf SiC geschieht die gezielte Einbringung von Stickstoff an der Grenzfläche durch einen Hochtemperaturschritt in Stickstoffmonoxid (NO). Dass Stickstoff in diesem Fall auch wirklich an der Grenzfläche haftet und nicht anderswo, konnte mit der Transmissionselektronen-Mikroskopie gezeigt werden, wie in den Bildern 4 und 5 dargestellt.

Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass SiC-basierte Leistungstransistoren spezielle Effekte zeigen, die auf den ersten Blick ungewohnt erscheinen. Durch gezielte Forschung konnte aber belegt werden, dass sie natürliche Ursachen haben und durch die richtigen Maßnahmen kontrollierbar sind. Das Verständnis bis auf die Ebene von Elektronen, Atomen und Kristalldefekten schafft Vertrauen und Sicherheit bezüglich der Anwendbarkeit von SiC-basierten Leistungstransistoren in kritischen Bereichen wie Energieversorgung und Energieumwandlung.

Der Inhalt dieses vorliegenden Artikels basiert auf einer Vielzahl wissenschaftlicher Publikationen. Die Ausrichtung der wissenschaftlichen Untersuchungen wurde durch das KAI Kompetenzzentrum für Automobil- und Industrieelektronik, ein Tochterunternehmen von Infineon Technologies Austria, koordiniert.

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* Dr. Gregor Pobegen ist Staff Engineer bei KAI Kompetenzzentrum für Automobil- und Industrieelektronik in Villach, Österreich.

* Dr. Hans-Joachim Schulze ist Senior Principal bei Infineon, München.

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