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Leistungshalbleiter: Defekte in SiC-MOSFETs schneller finden

| Redakteur: Kristin Rinortner

Forscher der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) haben eine einfache und zugleich präzise Methode entwickelt, mit der sie Defekte in Leistungstransistoren aus Siliziumkarbid aufspüren können.

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Leistungselektronik: Physiker Martin Hauck baut einen Siliziumkarbid-Transistor in die Messapparatur ein. Die FAU-Forscher haben eine Methode gefunden, um Traps an den Grenzflächen der Schalter aufzuspüren.
Leistungselektronik: Physiker Martin Hauck baut einen Siliziumkarbid-Transistor in die Messapparatur ein. Die FAU-Forscher haben eine Methode gefunden, um Traps an den Grenzflächen der Schalter aufzuspüren.
(Bild: FAU/Michael Krieger, Martin Hauck)

MOSFETs aus Siliciumkarbid (SiC) werden seit Jahren in der Leistungselektronik eingesetzt. Die Grenzfläche zwischen SiC und einer darauf aufgebrachten dünnen Oxidschicht (SiO2) bestimmt die Eigenschaften des leistungselektronischen Schalters.

Diese Grenzfläche stellt Forscher allerdings vor große Herausforderungen: Hier entsteht bei der Herstellung eine hohe Defektdichte, die die Mobilität der elektrischen Ladungsträger verringern und damit den Stromfluss im Bauelement reduzieren. Die Charakterisierung dieser Defekte ist daher extrem wichtig, um das Potenzial des Halbleiters komplett auszuschöpfen.

Defektmuster in SiC/SiO2-Grenzschichten entdeckt

Aus der Siliziumwelt stammende Nachweisverfahren berücksichtigen die Grenzfläche und damit die Störstellen darin nicht. Andere, aufwändigere Messmethoden sind entweder im großen Stil nicht praktikabel oder lassen sich nicht auf fertige Bauelemente anwenden.

Aus diesem Grund haben Forscher am Lehrstuhl für Angewandte Physik der Friedrich Alexander Universität nach neuen Möglichkeiten gesucht, wie sich diese Defekte besser erforschen lassen. Die Störstellen an der Grenzfläche SiC/SiO2 weisen stets dasselbe Muster auf: Die Grenzflächenzustandsdichte zeigt durch sogenannte Near-Interface-Traps (NITs) ein Maximum in der Nähe der SiC-Leitungsbandkante.

„NITs sind Defektzustände im Oxid nahe der Grenzfläche mit einem definierten Defektniveau unter der SiO2-Leitungsbandkante. Mit Ausnahme dieser NITs ist die Grenzflächenzustandsdichte in der SiC-Bandlücke verhältnismäßig merkmalsfrei und flach. Wir haben basierend auf dieser Erkenntnis die Zustandsdichte durch eine möglichst einfache Formel genähert, die die NITs als Gaußpeak repräsentiert und die anderen Grenzflächenzustände wie Dangling bonds, Carbon cluster etc. durch eine Konstante. Damit ist es nun möglich, mit relativ wenigen zusätzlichen Parametern die Transferkennlinien realistisch anzupassen. Das heißt, die 'Verrundung' der Transferkennlinie bei der Schwellenspannung (Soft-Turn-on) wird korrekt wiedergegeben. Alle anderen Auswerteverfahren für Transferkennlinien vernachlässigen die Grenzflächenzustände vollständig", erklärt Dr. Michael Krieger.

Auf diese Weise kann man Parameter wie die Elektronenbeweglichkeit oder Einsatzspannung präzise ermitteln. „Darüber hinaus wird sozusagen fast nebenbei die Konzentration und Verteilung der Defekte ermittelt“, ergänzt Doktorand Martin Hauck.

In Experimenten, die die Physiker mit Hilfe maßgeschneiderter MOSFETs des Industriepartners Infineon Technologies Austria AG und seines Tochterunternehmens, dem Kompetenzzentrum für Automobil- & Industrie-Elektronik GmbH, durchführten, hat sich die einfache Methode gleichzeitig als besonders genau herausgestellt.

Der präzise Einblick in die Defektstrukturen der Feldeffekttransistoren erlaubt nun bessere und kürzere Innovationszyklen: Verfahren, um Defekte zu reduzieren, lassen sich auf diese Weise genau, schnell und einfach bewerten – und die Entwicklung neuer, energieeffizienterer Leistungselektronik kann entsprechend beschleunigt werden.

Ihre Ergebnisse haben die Forscher in der Fachzeitschrift Communications Physics veröffentlicht.

(ID:45682007)