Halbleiterforschung Fraunhofer THM optimiert höchstdotierte Siliziumkristalle

Dotierstoff-Inhomogenitäten führen dazu, dass die Ausbeute bei Leistungshalbleitern sinkt. Wie man dagegen angeht, ist Teil des ECSEL-Projekts »PowerBase«.
Dotierstoff-Inhomogenitäten führen dazu, dass die Ausbeute bei Leistungshalbleitern sinkt. Wie man dagegen angeht, ist Teil des ECSEL-Projekts »PowerBase«.

Leistungselektronik auf Basis optimierter Halbleitermaterialien kann der Energieverbrauch senken. Das Fraunhofer THM trägt im Rahmen des ECSEL-Projekts »PowerBase« dazu bei, die Ausbeute bei der industriellen Herstellung von hochdotierten Siliziumkristallen mit 300 mm Durchmesser zu verbessern.

Angetrieben durch die politischen Themen Energieeffizienz und CO2-Reduktion haben sich Leistungshalbleiter für die Energieversorgung, die Automobil- und die Industrieelektronik zu einem Wachstumsfeld mit hoher gesellschaftlicher Bedeutung entwickelt. Technische Ziele in der Leistungselektronik sind dabei die Erhöhung der Schaltgeschwindigkeit und die Verringerung der Stromverluste pro Chipfläche. Diese Maßnahmen ermöglichen es, die Energiedichte zu steigern und Kosten zu senken. Leistungselektronische Bauelemente werden unter anderem auf Basis von hochdotiertem Silizium hergestellt. Um bei vertikalen leistungselektronischen Bauelementstrukturen die Widerstandsverluste in Durchlassrichtung zu minimieren, werden Siliziumkristalle mit einem sehr geringen elektrischen Widerstand bis hin zu 0,001 Ω∙cm benötigt.

Wie in der klassischen Mikroelektronik auch, sinken mit steigendem Durchmesser der kristallinen Halbleitersubstrate die Herstellungskosten für die Bauelemente. In der Leistungselektronik fragt die Industrie zunehmend hochdotierte Kristalle mit 300 mm Durchmesser nach. »Diese Siliziumkristalle werden nach dem Czochralski-Verfahren durch Ziehen aus der Siliziumschmelze hergestellt«, erläutert Dr. Jochen Friedrich, Sprecher des Fraunhofer Technologiezentrum für Halbleitermaterialien THM in Freiberg. »Den niedrigen elektrischen Widerstand erreicht man bereits beim Kristallziehprozess durch die gezielte Zugabe von Phosphor als Dotierstoff. Die benötigten hohen Mengen an Dotierstoff können jedoch – insbesondere beim Herstellungsprozess von Kristallen mit 300 mm Durchmesser – Instabilitäten verursachen, die die Kristallausbeute mindern.«

An diesem Punkt setzen nun im Rahmen des ECSEL-Projektes »PowerBase« die Arbeiten des Fraunhofer THM an. Die Forscher bringen ihre Erfahrung im Bereich der Kristallzüchtung, Simulation und Charakterisierung ein, um herauszufinden, was genau die Instabilitäten bei hohen Dotierstoffkonzentrationen im Kristall verursacht. Kennt man diese Mechanismen, ließen sich verfahrenstechnischer Lösungen entwickeln, um die Kristallausbeute zu erhöhen. Außerdem müssen die Wechselwirkungen der Dotieratome mit anderen atomaren Defekten bei hohen Dotierstoffkonzentrationen im Silizium genauer analysiert werden, um mögliche Auswirkungen auf die späteren Bauelementeigenschaften ableiten zu können. Durch diese Arbeiten kann die Silizium-Leistungselektronik an die Grenzen des technisch Machbaren gebracht werden, insbesondere hinsichtlich Kosten und Effizienz.

Auch GaN ist im Fokus

Im ECSEL-Projekt PowerBase wird auch an Galliumnitrid-Leistungsbauelementen geforscht. Galliumnitrid (GaN) ermöglicht höhere Durchbruchfeldstärken und schnellere Schaltgeschwindigkeiten als Silizium. Jedoch ist Leistungselektronik auf Basis von Galliumnitrid, gegenüber Silizium, eine noch junge Technologie. Dementsprechend kommt dem Vergleich beider Technologien eine strategische Bedeutung zu und die neuen Leistungsbauelemente auf Galliumnitrid-Basis müssen sich an den optimierten Siliziumhalbleitern messen lassen.

Im europäischen Forschungsprojekt PowerBase sind insgesamt 39 Partner beteiligt, darunter die Fraunhofer-Gesellschaft mit dem Fraunhofer THM in Freiberg, dem Fraunhofer IWM in Halle und dem Fraunhofer EMFT in München. Das Finanzvolumen beträgt 87 Millionen Euro, die Federführung hat Infineon Technologies in Villach.