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Universität Basel: Dem Silizium-Nachfolger auf der Spur

Siliziumkarbid besitzt im Vergleich zu Silizium als Halbleiter in Transistoren eine größere Hitzeresistenz und eine bessere Energieeffizienz. Forscher der Universität Basel konnten bestehende Probleme mit Siliziumkarbid jetzt eingrenzen und Vorschlage zu deren Reduktion bei der Verarbeitung machen.

Grenzfläche Bildquelle: © Universität Basel, Departement Physik/Swiss Nanoscience Institute

An der Grenzfläche zwischen dem Siliziumdioxid und Siliziumkarbid entstehen unregelmässige Ansammlungen von Kohlenstoffringen, welche die elektronische Funktion einschränken.

Hohe Stromstärken und Spannungen bei hoher Hitzeresistenz und verbesserter Energieeffizienz übertragen: Das kann Siliziumkarbid als Halbleitermaterial für Feldeffekttransistoren. Das Problem: Bislang auftretende Defekte an der Grenzfläche zwischen Siliziumkarbid und dem Isolationsmaterial Siliziumdioxid machen diese Vorteile zu einem guten Teil zunichte.

Forscher um Prof. Dr. Thomas Jung vom Swiss Nanoscience Institute und Departement Physik der Universität Basel und dem Paul-Scherrer-Institut konnten jetzt Ort und Struktur dieser Defekte genau aufklären: Sie basieren auf winzigen, unregelmäßigen Ansammlungen (Clustern) von Kohlenstoffringen, die im Kristallgitter gebunden sind. Sie kommen an der Grenzfläche zwischen Siliziumkarbid und dem Isolationsmaterial Siliziumoxid vor und, wie sie mithilfe von Rasterkraftmikroskop-Analysen und Raman-Spektroskopie nachweisen konnten, auch in einigen Atomlagen des Siliziumkarbids.

Die nur wenige Nanometer großen Kohlenstoffcluster entstehen beim Oxidationsprozess des Siliziumkarbids zu Siliziumdioxid unter hohen Temperaturen. «Wenn wir bestimmte Parameter während der Oxidation verändern, können wir das Auftreten der Defekte beeinflussen», sagt die Doktorandin Dipanwita Dutta. So führt beispielsweise eine Lachgas-Atmosphäre beim Heizvorgang zu deutlich weniger Kohlenstoffclustern, und ebenso hat eine Nachbehandlung mit Stickstoff positive Effekte.

»Unsere Arbeiten liefern wichtige Erkenntnisse, welche die Entwicklung von Feldeffekttransistoren auf der Basis von Siliziumkarbid vorantreiben können. Damit ließe sich wesentlich zur noch effektiveren Nutzung elektrischer Energie beitragen«, kommentiert Jung