Siliziumkarbid Forscher lernen mehr über SiC-Defekte

Berechnung des quantenelektronischen Transports in idealen und defekten 3C-SIC-Kristallstrukturen.
Berechnung des quantenelektronischen Transports in idealen und defekten 3C-SIC-Kristallstrukturen.

Die Defektdichte bei SiC-Wafern zu senken, ist eine große Herausforderung. Nun hat ein europäisches Forscherteam ein Modell erarbeitet, wie diese Kristalldefekte entstehen und sich ausbreiten. Dies könnte dazu führen, dass die Ausbeute höher wird und damit die Kosten sinken.

Hochreine monokristalline Siliziumwafer herzustellen, ist relativ einfach. Dazu wird ein Impfkristall in Schmelze getaucht und aus der Schmelze gezogen (Czochralski-Verfahren). Danach werden daraus die Wafer gesägt und anschließend epitaktisch die halbleitenden Strukturen darauf aufgebracht. Bei Siliziumkarbid (SiC) funktioniert das Czochralski-Verfahren leider nicht, denn es gibt keine Flüssigphase für diesen Verbindungshalbleiter.

In der Fachzeitschrift Applied Physics Reviews veröffentlichten Giuseppe Fisicaro vom italienischen Consiglio Nazionale delle Ricerche, Istituto per la Microelettronica e Microsistemi (CNR-IMM) und ein internationales Forscherteam unter der Leitung von Antonio La Magna (Novasic) eine Studie über die atomaren Mechanismen, die die erweiterte Defektkinetik in kubischem SiC (3C-SiC) bestimmen. Dieses Material hat eine diamantähnliche Kristallstruktur wie beispielsweise Zinkblende (ZnS) und weist daher Instabilitäten beim Stapeln (Stacking Fault) und in der Gegenphase (Anti-Phase Fault) auf.

»Die Entwicklung eines technologischen Konzepts für die Beherrschung von Kristallfehlern bei Siliziumkarbid kann eine Strategie sein, die das ganze Szenario verändern kann«, meinte Fisicaro. Die Studie der Forscher zeigt die Mechanismen auf atomarer Ebene auf, die für die Entstehung und Ausbreitung von Fehlstellen verantwortlich sind.

»Grenzen der Gegenphase – planare kristallografische Defekte, die die Kontaktgrenze zwischen zwei Kristallbereichen mit wechselnden Bindungen (C-Si anstelle von Si-C) darstellen – sind eine kritische Ursache für andere Defektformen in einer Vielzahl von Konfigurationen«, betonte Fisicaro. Letztendlich ist die Reduzierung dieser gegenphasigen Grenzflächen »besonders wichtig, um qualitativ hochwertige Kristalle zu erhalten, die in elektronischen Bauelementen verwendet werden können und wirtschaftlich tragfähige Ausbeuten erzielen«, so der Forscher.

Daher entwickelte das Team einen neuartigen Monte-Carlo-Simulationscode, der auf einem Superlattice basiert, d.h. einem räumlichen Gitter, das sowohl den perfekten SiC-Kristall als auch alle Kristallfehler enthält. Dies trug dazu bei, »Licht auf die verschiedenen Mechanismen der Wechselwirkung zwischen den einzelnen Kristallfehlern und ihren Einfluss auf die elektronischen Eigenschaften dieses Materials zu werfen«, erläuterte Fisicaro.

Aufkommende Halbleiterbauelemente mit großer Bandlücke wie SiC haben das Potenzial, die Leistungselektronik zu revolutionieren und enorme Vorteile für die Umwelt zu bringen. »Würden die weltweit in diesem Bereich verwendeten Leistungsbauelemente aus Silizium durch solche aus 3C-SiC ersetzt, ließen sich jährlich 1,2 × 1010 Kilowatt einsparen. Dies entspricht jährlich 6 Millionen Tonnen an CO2-Emissionen weniger«, verdeutlichte Fisicaro den Vorteil.

Die Forscher kamen zu dem Schluss, dass die niedrigen Kosten des Heteroepitaxie-Ansatzes für 3C-SiC und die Skalierbarkeit dieses Verfahrens auf 300-mm-Wafer und darüber dazu führen können, dass diese Technologie für Antriebe von Elektro- oder Hybridfahrzeugen, Klimaanlagen, Kühlschränken und LED-Beleuchtungssystemen äußerst konkurrenzfähig sein könnten.

Diese Arbeit ist Teil des European Union's Horizon 2020 CHALLENGE Program; HORIZON 2020-NMBP-720827.

Giuseppe Fisicaro, et al., Genesis and evolution of extended defects: The role of evolving interface instabilities in cubic SiC; Applied Physics Reviews, April 28, 2020.