Präziser Einblick ins Innerste von Siliziumkarbid-MOSFETs

| Autor / Redakteur: Martin Hauck, Michael Krieger * / Gerd Kucera

Bild 1: Einfluss von Grenzflächendefekten auf den Stromfluss in einem SiC-MOSFET. Im n-Kanal MOSFET fließt der Elektronenstrom (gelb) vom Source-Kontakt durch den Kanal unter dem Gate-Kontakt zum rückseitigen Drain-Kontakt. Über die Gate-Spannung wird der Drain-Strom kontrolliert. Defekte an oder nahe der SiC/SiO2-Grenzfläche (siehe Vergrößerung) beeinflussen die Elektronen im Kanal entweder durch Streuung oder durch Einfang. Beide Effekte vergrößern den Kanalwiderstand und damit die Leistungsverluste. An der SiC/SiO2-Grenzfläche unterscheidet man drei Defektklassen: (i) dangling bonds (hellblaue Kreise), (ii) Kohlenstoffdefekte (braune Kreise) und (iii) near-interface traps (orangene Kreise).
Bild 1: Einfluss von Grenzflächendefekten auf den Stromfluss in einem SiC-MOSFET. Im n-Kanal MOSFET fließt der Elektronenstrom (gelb) vom Source-Kontakt durch den Kanal unter dem Gate-Kontakt zum rückseitigen Drain-Kontakt. Über die Gate-Spannung wird der Drain-Strom kontrolliert. Defekte an oder nahe der SiC/SiO2-Grenzfläche (siehe Vergrößerung) beeinflussen die Elektronen im Kanal entweder durch Streuung oder durch Einfang. Beide Effekte vergrößern den Kanalwiderstand und damit die Leistungsverluste. An der SiC/SiO2-Grenzfläche unterscheidet man drei Defektklassen: (i) dangling bonds (hellblaue Kreise), (ii) Kohlenstoffdefekte (braune Kreise) und (iii) near-interface traps (orangene Kreise). (Bild: Martin Hauck FAU Erlangen-Nürnberg)

Firmen zum Thema

Eine an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg entwickelte Untersuchungsmethode erlaubt die einfache und detaillierte Bestimmung unerwünschter Defekte in SiC-Leistungstransistoren.

Siliziumkarbid (SiC) ist eine Verbindung aus Silizium und Kohlenstoff, die herausragende Eigenschaften mitbringt. Die im Vergleich zu Silizium etwa dreimal größere Bandlücke sorgt für eine um den Faktor 10 größere Durchbruchfeldstärke. Hieraus resultiert ein entsprechend größerer nutzbarer Spannungsbereich. Darüber hinaus können SiC-Bauelemente bei höheren Frequenzen betrieben werden, was die Größe der passiven Komponenten (insbesondere Induktivitäten) in Systemen drastisch reduziert. Kühlsysteme für SiC-Module fallen deutlich kleiner aus, oder können sogar ganz eingespart werden, da SiC-Bauelemente einerseits weniger Leistungsverluste aufweisen, andererseits leitet SiC Wärme so effizient wie Kupfer ab.

SiC-Bauelemente sind seit dem Jahr 2001 auf dem Markt, zunächst als Schottky-Diode, 2011 folgten die ersten unipolaren SiC-Transistoren. Hierzu zählt insbesondere der SiC-MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor), der bipolare Silizium-IGBTs (Insulated-Gate Bipolar Transistors) als Leistungsschalter ersetzen kann und dabei aufgrund seiner unipolaren Funktionsweise erheblich energieeffizienter arbeitet. SiC-MOSFETs erhalten ihre Eigenschaften durch die Grenzfläche zwischen SiC und einer darauf aufgebrachten, sehr dünnen Schicht Siliziumdioxid.

Obwohl SiC-MOSFETs bereits in zahlreichen Anwendungen zu großer Effizienzsteigerung führen, stellt genau diese Grenzfläche Forscher und Entwickler vor große Herausforderungen: Dort entstehen bei der Herstellung ungewollte Defekte, die elektrische Ladungsträger wegfangen oder streuen (Bild 1) und damit den Durchlasswiderstand und die Leistungsverluste unnötig vergrößern. Die präzise Untersuchung dieser Defekte ist daher extrem wichtig, um Verfahren zur Defektreduktion entwickeln und das Potenzial des Materials komplett ausschöpfen zu können. Die etablierten Messmethoden stammen jedoch aus der Siliziumtechnologie. Die Anwendung dieser Verfahren auf SiC-MOSFETs führt zu großen Fehlern bei der Bestimmung von physikalischen Bauelementparametern. Der Hauptgrund hierfür ist die besondere Struktur der SiC/Siliziumdioxid-Grenzfläche.

Was an der Grenzfläche von SiC und Siliziumdioxid geschieht

SiC besitzt, genau wie Silizium, das native Oxid SiO2, das bei hohen Temperaturen in sauerstoffreicher Atmosphäre an der Oberfläche entsteht. Die Grenzfläche zwischen Halbleiter und SiO2 markiert dabei einen Materialübergang – die Kristallstruktur des Halbleiters endet und die des Oxids beginnt. Da die beiden Kristallgitter nicht perfekt aufeinander passen, bleiben Atome ohne Bindungspartner übrig. Solche sogenannten dangling bonds sind in der Siliziumtechnologie die dominierenden Defekte an der Grenzfläche. Sie können mit Wasserstoff passiviert werden, sodass sie elektrisch inaktiv sind und damit den On-Widerstand nicht verschlechtern.

Bei SiC kommt eine weitere Komponente hinzu: Bei der Oxidation von SiC bleiben Kohlenstoffprodukte übrig. Die meisten verlassen das Oxid in Form von Kohlenmonoxid (CO) oder Kohlendioxid (CO2). Der verbleibende Kohlenstoff jedoch bildet eine neue Klasse von Grenzflächendefekten, die sich durch Wasserstoffbehandlung nicht passivieren lassen. Eine dritte Defektklasse befindet sich im Oxid nahe der Grenzfläche, die sogenannten near-interface traps (NITs). Diese Defekte sind genau genommen Oxiddefekte und existieren auch an der Silizium/SiO2-Grenzfläche. Aufgrund der kleineren Bandlücke von Silizium können sie dort allerdings niemals mit Elektronen gefüllt werden und spielen daher keine Rolle. Bei SiC jedoch sorgen die NITs für eine besonders hohe Grenzflächenzustandsdichte nahe der SiC-Leitungsbandkante. Das bedeutet, dass sie insbesondere die Funktion von n-Kanal MOSFETs stark beeinflussen.

Obwohl die genaue mikroskopische Struktur der Defekte an der SiC/SiO2-Grenzfläche noch nicht abschließend geklärt ist, existieren Rezepte zur Reduktion der Defektdichte. Eine Möglichkeit zur Vermeidung von Kohlenstoff an der Grenzfläche ist das Abscheiden von Oxiden aus der Gasphase anstelle der thermischen Oxidation. Ganz vermeiden lässt sich Kohlenstoff aber nicht, da abgeschiedene Oxide bei hohen Temperaturen nachoxidiert werden müssen, um eine definierte Grenzfläche zu bilden.

Das aktuell am häufigsten eingesetzte Verfahren ist eine thermische Behandlung des Oxids in Stickstoffmonoxid (NO). Der Stickstoff führt dabei zu einer teilweisen elektrischen Deaktivierung vorhandener Defekte. Alternative Verfahren basieren auf dem Hinzufügen von anderen Fremdatomen. Eine besonders vielversprechende, erst im Jahr 2018 vorgestellte Methode, ist die Nachbehandlung des Oxids unter Argonatmosphäre mit extrem niedrigem Sauerstoffanteil.

Die Suche nach dem optimalen Oxidations- und Defektpassivierungsverfahren ist nach wie vor Thema von Forschung und Entwicklung. Um neue Verfahren evaluieren zu können, müssen Bauelemente hergestellt und elektrisch charakterisiert werden. Hier musste man bislang eine Wahl treffen: entweder man stellt spezielle Teststrukturen her, die es mit aufwändigen Messmethoden erlauben die Defektdichte direkt zu messen – im großen Stil nicht praktikabel – oder man untersucht fertige MOSFET-Bauelemente mit einfacher Strom-Spannungs-Messung, deren Ergebnis kaum Rückschlüsse auf die Defektdichte ermöglicht. Die ermittelten Bauelementparameter wie Elektronenbeweglichkeit und Schwellenspannung erlauben zwar eine gewisse Beurteilung der Bauelementleistungsfähigkeit, sind quantitativ aber in der Regel falsch und gestatten zudem keinen echten Einblick in die Bauelementphysik. Dies liegt daran, dass die eingesetzten Untersuchungsverfahren für Silizium-MOSFETs entwickelt wurden, in denen Grenzflächendefekte praktisch keine Rolle spielen.

Bild 2: 
Grenzflächenzustandsdichte zwischen Valenzbandkante Ev und Leitungsbandkante Ec von 4H-SiC. Die neue Parametrisierung (blaue Kurve) berücksichtigt auf der Basis von Literaturdaten dangling bonds (hellblau) und Kohlenstoffdefekte (braun) als konstanten, energieunabhängigen Beitrag. Near-interface traps (orange) weisen eine scharfe Verteilung auf und werden daher durch einen Gauß-Peak parametrisiert. Die Parameter wurden mittels der neuen Methode aus Strom-Spannungs-Kennlinien ermittelt (Bild 3). Eine unabhängige Kontrollmessung an denselben Proben mittels Hall-Effekt Untersuchung (Kreise) bestätigt die Gültigkeit der Parametrisierung im relevanten Betriebsbereich eines MOSFETs.
Bild 2: 
Grenzflächenzustandsdichte zwischen Valenzbandkante Ev und Leitungsbandkante Ec von 4H-SiC. Die neue Parametrisierung (blaue Kurve) berücksichtigt auf der Basis von Literaturdaten dangling bonds (hellblau) und Kohlenstoffdefekte (braun) als konstanten, energieunabhängigen Beitrag. Near-interface traps (orange) weisen eine scharfe Verteilung auf und werden daher durch einen Gauß-Peak parametrisiert. Die Parameter wurden mittels der neuen Methode aus Strom-Spannungs-Kennlinien ermittelt (Bild 3). Eine unabhängige Kontrollmessung an denselben Proben mittels Hall-Effekt Untersuchung (Kreise) bestätigt die Gültigkeit der Parametrisierung im relevanten Betriebsbereich eines MOSFETs. (Bild: Martin Hauck FAU Erlangen-Nürnberg)

Defektverteilung als Muster: eine SiC-spezifische Methode

An dieser Stelle setzt die Idee für eine neue SiC-spezifische Untersuchungsmethode an. Allen Fachartikeln zur SiC/SiO2-Grenzfläche gemein ist die Form der Grenzflächenzustandsdichte, auch wenn sich die Konzentration der Defekte unterscheidet. Diese spezielle Form haben wir am Lehrstuhl für Angewandte Physik der Friedrich-Alexander-Universität (FAU) Erlangen-Nürnberg parametrisiert und darauf aufbauend eine Beschreibung der Strom-Spannungs-Kennlinien der Bauteile ermittelt. Umgekehrt kann man somit aus gemessenen Kennlinien die Grenzflächenzustandsdichte bestimmen. Fast schon als Nebenprodukt werden die typischen, physikalischen Bauelementparameter wie Elektronenbeweglichkeit und Schwellenspannung korrekter quantifiziert.

Bild 2 zeigt die parametrisierte Form der Grenzflächenzustandsdichte (blaue Kurve). Kohlenstoffdefekte (braun) und dangling bonds (hellblau) bilden eine flache Verteilung mit konstanter Dichte in der SiC-Bandlücke zwischen Valenzbandkante EV und Leitungsbandkante EC. Die NITs (orange) weisen ein scharfes Maximum in der Nähe von EC auf. Mit dieser Parametrisierung, die im Prinzip auf zwei Variablen – Höhe der konstanten Dichte und Höhe des Maximums – beruht, lässt sich wie in Bild 3 dargestellt eine Strom-Spannungs-Messung (Kreise) an einem SiC-MOSFET exakt nachbilden (blaue Kurve). Die rote Kurve in Bild 3 zeigt die klassische Näherung ohne Berücksichtigung der Grenzflächendefekte. Besonders im Bereich der Schwellenspannung ergeben sich hierbei drastische Abweichungen. Die aus dieser Näherung bestimmten Bauelementparameter sind stark fehlerbehaftet. Für die Elektronenbeweglichkeit beispielsweise werden aus Bild 3 folgende Werte ermittelt: klassische Methode (Feld-Effekt-Beweglichkeit): 21 cm2/Vs; neue Methode: 28 cm2/Vs.

Bild 3: Auswertung der Transferkennlinie einer SiC-MOSFET-Teststruktur. Bei der klassischen Näherung zur Ermittlung der sogenannten Feld-Effekt-Beweglichkeit wird die Transferkennlinie durch zwei Geraden (rote Kurve) genähert. Die Grenzflächendefekte führen jedoch zu einer deutlichen Verrundung im Bereich der Schwellenspannung, die von der klassischen Näherung vollständig ignoriert wird. Die neue Methode berücksichtigt die Grenzflächendefekte und bezieht Informationen zur Defektdichte aus dieser Verrundung. Im Ergebnis führt dies zu einer wesentlich besseren Beschreibung der Transferkennlinien (blaue Kurve) und einer exakteren Ermittlung der Bauelementparameter.
Bild 3: Auswertung der Transferkennlinie einer SiC-MOSFET-Teststruktur. Bei der klassischen Näherung zur Ermittlung der sogenannten Feld-Effekt-Beweglichkeit wird die Transferkennlinie durch zwei Geraden (rote Kurve) genähert. Die Grenzflächendefekte führen jedoch zu einer deutlichen Verrundung im Bereich der Schwellenspannung, die von der klassischen Näherung vollständig ignoriert wird. Die neue Methode berücksichtigt die Grenzflächendefekte und bezieht Informationen zur Defektdichte aus dieser Verrundung. Im Ergebnis führt dies zu einer wesentlich besseren Beschreibung der Transferkennlinien (blaue Kurve) und einer exakteren Ermittlung der Bauelementparameter. (Bild: Martin Hauck FAU Erlangen-Nürnberg)

Zur Überprüfung unserer neuen Methode haben unsere Industriepartner Infineon Technologies Austria AG und Kompetenzzentrum für Automobil- und Industrieelektronik GmbH in Villach/Österreich spezielle Teststrukturen hergestellt. Diese besitzen zusätzliche Messpunkte, die es mittels zeitaufwändiger Hall-Effekt-Messung erlauben, die tatsächliche Grenzflächenzustandsdichte sowie Elektronenbeweglichkeit in einem Inversionskanal direkt zu bestimmen. Die Elektronenbeweglichkeit von 29 cm2/Vs stimmt fast perfekt mit unserer neuen Methode überein. Auch die gemessene und parametrisierte Grenzflächenzustandsdichte zeigt eine hervorragende Übereinstimmung, wie in Bild 2 zu sehen ist.

Der Charme der neuen Untersuchungsmethode für SiC-MOSFETs ist die Tatsache, dass sich die Aufnahme der Messdaten gegenüber klassischen Methoden nicht ändert.

Die vollständige Beschreibung der neuen Methode sowie alle experimentellen Details haben wir zusammen mit unseren Co-Autoren Johannes Lehmeyer, Dr. Gregor Pobegen und Prof. Dr. Heiko B. Weber in der Fachzeitschrift Communications Physics (doi: 10.1038/s42005-018-0102-8) publiziert.

* M. Sc. Martin Hauck ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Angewandte Physik der Friedrich-Alexander-Universität (FAU) Erlangen-Nürnberg. Dr. Michael Krieger ist Akademischer Oberrat am Lehrstuhl für Angewandte Physik der FAU Erlangen-Nürnberg und leitet dort die SiC-Forschungsgruppe.

Kommentar zu diesem Artikel abgeben

Schreiben Sie uns hier Ihre Meinung ...
(nicht registrierter User)

Zur Wahrung unserer Interessen speichern wir zusätzlich zu den o.g. Informationen die IP-Adresse. Dies dient ausschließlich dem Zweck, dass Sie als Urheber des Kommentars identifiziert werden können. Rechtliche Grundlage ist die Wahrung berechtigter Interessen gem. Art 6 Abs 1 lit. f) DSGVO.
Kommentar abschicken
copyright

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Kontaktieren Sie uns über: support.vogel.de/ (ID: 45723301 / Leistungselektronik)