09.09.2019 • Halbleiter

Halbleiter: Siliziumkarbid ist besser als Silizium

Stickstoffbehandlung reduziert Bildung von Kohlenstoffclustern.

Die Leistungselektronik muss heute in der Lage sein, mit großen Stromstärken und hohen Spannungen umzugehen. Die heutigen Halbleitermaterialien basieren vor allem auf der Siliziumtechnologie. Dagegen hätte die Verbindung Siliziumkarbid gegenüber Silizium physikalisch und chemisch einige entscheidende Vorteile: neben einer weit höheren Hitzeresistenz vor allem eine deutlich bessere Energieeffizienz, die zu enormen Einsparungen führen könnte.

Abb.: An der Grenzfläche zwischen dem Siliziumdioxid und Siliziumkarbid... — Abb.: An der Grenzfläche zwischen dem Siliziumdioxid und Siliziumkarbid entstehen unregelmäßige Ansammlungen von Kohlenstoffringen, welche die elektronische Funktion einschränken. (Bild: U. Basel)

Doch diese Vorteile werden durch Defekte an der Grenzfläche zwischen Siliziumkarbid und dem Isolationsmaterial Siliziumdioxid zu einem guten Teil wieder zunichte gemacht. Diese Beschädigungen basieren auf winzigen, unregelmäßigen Ansammlungen von Kohlenstoffringen, die im Kristallgitter gebunden sind, wie Thomas Jung von der Uni Basel und seine Kollegen jetzt experimentell zeigen konnten. Sie konnten mithilfe von Rasterkraftmikroskop-Analysen und Raman-Spektroskopie nachweisen, dass die Defekte nicht nur an der Grenzfläche entstehen, sondern auch in einigen Atomlagen des Siliziumkarbids.

Die störenden, nur einige 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 beteiligte Forscherin Dipanwita Dutta. So führt beispielsweise eine Lachgas-Atmosphäre beim Heizvorgang zu deutlich weniger Kohlenstoffclustern. Und ebenso hat eine Nachbehandlung mit Stickstoff positive Effekte.

Die experimentellen Ergebnisse wurden durch ein Team von Stefan Gödecker von der Uni Basel bestätigt: Computersimulationen zeigen genau dieselben strukturellen und chemischen Veränderungen durch graphitische Kohlenstoffatome wie die experimentellen Untersuchungen. Bestätigt wurden auch die positiven Effekte durch die Behandlung von Siliziumkarbid mit Stickstoff.

„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“, betont Jung.

U. Basel / RK