Friedrich-Alexander-Universität Defekte in SiC-MOSFETs genauer, schneller und einfacher finden

Physiker Martin Hauck baut einen Siliziumkarbid-MOSFET in die Messapparatur ein: Die FAU-Forscher haben eine Methode gefunden, um Defekte an den Grenzflächen der Schalter aufzuspüren.
Physiker Martin Hauck baut einen Siliziumkarbid-MOSFET in die Messapparatur ein: Die FAU-Forscher haben eine Methode gefunden, um Defekte an den Grenzflächen der Schalter aufzuspüren.

An der Grenzfläche zwischen Siliziumkarbid und dem Gate-Oxid entstehen bei der Herstellung ungewollte Defekte, die die Ladungsträger »wegfangen«. Forscher der Friedrich-Alexander-Universität haben eine einfache und zugleich präzise Methode entwickelt, solche Grenzflächendefekte aufzuspüren.

Um Energie effizienter zu wandeln, müssen die auch die leistungselektronischen Bauelemente immer effizienter werden. Aufgrund der Materialeigenschaften kommen Komponenten aus dem Universalhalbleitermaterial Silizium jedoch an ihre Grenzen. Besser geeignet ist Siliziumkarbid, kurz SiC.

SiC-MOSFETs erhalten ihre Funktion von der Grenzfläche zwischen SiC und einer darauf aufgebrachten, sehr dünnen Schicht Siliziumoxid als Isolation zum Gate-Anschluss. Doch genau diese Grenzfläche stellt Forscher vor große Herausforderungen: Bei der Herstellung entstehen dort ungewollte Defekte, die elektrische Ladungsträger wegfangen und damit den Strom im Bauelement reduzieren. Die Untersuchung dieser Defekte ist daher extrem wichtig, um das Potenzial des Materials komplett ausschöpfen zu können.

Herkömmliche, üblicherweise aus der Siliziumwelt stammende Untersuchungsmethoden berücksichtigen aber genau diese Grenzflächendefekte überhaupt nicht. Andere, aufwendigere Messmethoden sind entweder nicht praktikabel in der Massenfertigung oder lassen sich erst gar nicht auf fertige Bauelemente anwenden. Aus diesem Grund haben Forscher am Lehrstuhl für Angewandte Physik der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) nach neuen Möglichkeiten gesucht, wie sich diese Fehler besser untersuchen lassen – und sind fündig geworden. Ihnen ist aufgefallen, dass die Grenzflächendefekte stets demselben Muster folgen.

»Dieses Muster haben wir durch eine mathematische Formel dargestellt«, erklärt Doktorand Martin Hauck, der Erstautor der Studie. »Auf diese Weise können wir die Grenzflächendefekte so geschickt in die Berechnung einbeziehen, dass sich nicht nur die Ergebnisse der üblichen Parameter wie Elektronenbeweglichkeit oder Einsatzspannung präzise ermitteln lassen. Darüber hinaus wird sozusagen fast nebenbei die Konzentration und Verteilung der Defekte ermittelt.«

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

Der präzise Einblick in das Innerste der MOSFETs könnte nun zu kürzeren Innovationszyklen führen: Verfahren, um Defekte zu reduzieren, lassen sich auf diese Weise genau, schnell und einfach bewerten – und die Entwicklung neuer, energiesparender Leistungselektronik kann entsprechend beschleunigt werden.

Ihre Ergebnisse haben sie jetzt in der renommierten Fachzeitschrift Communications Physics veröffentlicht.

Originalpublikation

Martin Hauck, et al., An adapted method for analyzing 4H silicon carbide metal-oxide-semiconductor field-effect transistors, Communications Physics volume 2, Article number: 5 (2019), doi: 10.1038/s42005-018-0102-8