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Qualitätskontrolle: Neues Prüfverfahren findet unentdeckte Transistordefekte

Eine neue Methode, Defekte in Leistungstransistoren aus Siliziumkarbid schnell und einfach zu entdecken, könnte sich zum Standardprüfverfahren für das Halbleitermaterial von morgen entwickeln. Entdeckt wurde sie an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU).

Prüfung eines Siliziumkarbid-Transistors Bildquelle: © FAU/Michael Krieger, Martin Hauck

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

Siliziumkarbid, kurz SiC, verfügt als Universalhalbleitermaterial der Zukunft, über bestechende Eigenschaften, die es zum Nachfolger von Silizium machen könnten und für den Einsatz in anspruchsvollen leistungselektronischen Transistoren prädestinieren. Die Verbindung aus Silizium und Kohlenstoff ist hochspannungsfest, hochtemperaturfest, chemisch robust und geeignet für höhere Schaltfrequenzen, die für weitere Effizienzsteigerungen sorgen können. SiC-Bauelemente werden heute schon erfolgreich eingesetzt.

Leistungselektronische Schalter aus Siliziumkarbid, sogenannte Feldeffekttransistoren oder kurz MOSFETs, erhalten ihre Funktionalität von der Grenzfläche zwischen SiC und einer darauf aufgebrachten, sehr dünnen Schicht Siliziumoxid. Diese Grenzfläche stellt Forscher aber vor große Herausforderungen weil bei der Herstellung an der Grenzfläche Defekte entstehen, die elektrische Ladungsträger wegfangen und damit den Strom im Bauelement reduzieren.

Herkömmliche, üblicherweise aus der Siliziumwelt stammende Untersuchungsmethoden für die Eigenschaften von MOSFETs berücksichtigen aber ausgerechnet diese Defekte überhaupt nicht. Andere, aufwändigere Messmethoden sind entweder im großen Stil nicht praktikabel oder lassen sich erst gar nicht auf fertige Bauelemente anwenden. Aus diesem Grund haben Forscher am Lehrstuhl für Angewandte Physik der 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. »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 mit Hilfe maßgeschneiderter Transistoren des Industriepartners Infineon Technologies Austria AG und seines Tochterunternehmens Kompetenzzentrum für Automobil- & Industrie-Elektronik GmbH durchführten, hat sich die einfache Methode gleichzeitig als besonders genau herausgestellt. Der präzise Einblick in das Innerste der Feldeffekttransistoren erlaubt nun bessere und kürzere Innovationszyklen: 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.