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Interview mit Dr. Peter Friedrichs

20 Jahre Siliziumkarbid bei Infineon

9. August 2021, 14:00 Uhr | Ralf Higgelke

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Vom SiC-JFET zum SiC-MOSFET

Als 2001 die Dioden auf den Markt kamen, wurde bereits das Konzept des JFET vorgeschlagen. Infineon begann zunächst, Siliziumkarbid-JFETs anzubieten, ist dann aber auf MOSFETs umgeschwenkt. Warum eigentlich? War es allein wegen der selbstleitenden Natur des JFET?

Die Entwicklung der JFET- und auch der MOSFET-Struktur haben wir von Beginn an parallel zueinander vorangetrieben. Den JFET vor allem deswegen, weil es zur damaligen Zeit noch keine vernünftige Lösung für die kontrollierende Grenzfläche beim MOSFET gab. Mit der Kaskodenschaltung konnten wir dieses Problem mit der Grenzfläche auf den siliziumbasierten Niederspannungs-MOSFET auslagern und dabei trotzdem die Merkmale von Siliziumkarbid nutzen – aber eben als JFET.

Natürlich ist ein JFET als selbstleitendes Bauelement im Betrieb schwieriger zu handhaben als ein selbstsperrender MOSFET. Deswegen war die JFET-Technologie immer daran geknüpft, sie durch entsprechende Verschaltung in eine selbstsperrende Schaltung zu überführen.

Das große Thema bei Siliziumkarbid ist ja derzeit die Zuverlässigkeit des Gate-Oxids. Meines Wissens ist ein dünnes Gate-Oxid wünschenswert für einen niedrigen Durchlasswiderstand, aber damit nimmt auch die Zuverlässigkeit und Robustheit dieser Schicht und damit des gesamten Bauteils ab. Wie löst Infineon diesen Zielkonflikt?

Da sprechen Sie einen ganz wichtigen Punkt an. Trotz aller Fortschritte bei der Technologie ist der Widerstand des Inversionskanals bei Siliziumkarbid immer noch schlechter als bei Silizium. Der technisch einfachste Weg, den Kanalwiderstand zu senken, ist ein dünneres Oxid. Denn dadurch lassen sich die Einflüsse von Defekten an der Grenzfläche leichter kompensieren.

Andererseits beeinträchtigt ein dünneres Gate-Oxid, wie Sie schon richtig feststellten, die Robustheit, die Zuverlässigkeit und die FIT-Rate. Übrigens, auch bei Leistungshalbleitern aus Silizium sind die Gate-Oxide relativ dick. Das gilt für Superjunction-MOSFETs wie den CoolMOS genauso wie für IGBTs. Grund dafür ist – genauso wie bei Siliziumkarbid – die Zuverlässigkeit.

Um diesen Zielkonflikt bestmöglich zu lösen, haben wir uns bei Infineon schon sehr früh dafür entschieden, auf die Trench-Technologie zu setzen. Bei diesem Ansatz verringert sich die Zahl der kritischen Defekte im Kanalbereich, sodass wir trotz dickerem Gate-Oxid einen ausreichend niedrigen Kanalwiderstand und gleichzeitig eine so niedrige Ausfallwahrscheinlichkeit erreichen können, wie sie in der Siliziumwelt üblich ist. Und das, obwohl die Zahl der Kristalldefekte bei Siliziumkarbid wesentlich höher ist als bei Silizium.

Ein anderes großes Thema bei Siliziumkarbid ist die sehr kostenintensive Herstellung von Rohwafern und ihre begrenzte Verfügbarkeit. Was hat Infineon getan, um ausreichend Wafer zur Verfügung zu haben?

In der Vergangenheit haben wir einen gemischten Ansatz verfolgt. Als wir noch mit 100-Millimeter-Wafern gearbeitet haben, hatten wir mehrere qualifizierte Lieferanten, die alle in etwa gleiche Qualität bei den Rohwafern liefern konnten. Beim Übergang auf den 150-Millimeter-Wafer standen anfangs jedoch nur wenige Anbieter zur Verfügung. In diesem Fall haben wir es durch langfristige Lieferverträge geschafft, eine Liefersicherheit zu gewährleisten. Mittlerweile hat sich die Situation bei 150-Millimeter-Wafern wieder entspannt, denn nun gibt es auch für diese Größe wieder mehrere Anbieter. Daher werden wir auch dort zunehmend zum Multi-Sourcing-Ansatz übergehen.
Zusätzlich werden wir das Split-Verfahren zur Marktreife bringen, um die vorhandenen Wafer besser ausnutzen zu können.