16.01.2019

Präziser Blick in das Innere von Transistoren

Defekte genauer, schneller und einfacher finden – und so Energie sparen.

In der Leistungselektronik schalten Transistoren große Ströme, die zur Erwärmung der Bauteile und damit zu Energie­ver­lusten führen. Deshalb bieten energie­effi­ziente Transis­toren enormes Ein­spar­poten­zial. Forscher der Uni Erlangen-Nürn­berg haben eine ein­fache und zugleich präzise Methode ent­wickelt, wie sie Defekte in den Transis­toren der neuesten Genera­tion aus Silizium­karbid auf­spüren können. Dadurch beschleu­nigt sich in Zukunft die Ent­wick­lung von energie­effi­zien­teren Transis­oren.

Abb.: Martin Hauck baut einen Silizium­karbid-Transistor in die...
Abb.: Martin Hauck baut einen Silizium­karbid-Transistor in die Mess­appa­ratur ein. Er und seine Kollegen haben eine Methode gefunden, um Defekte an den Grenz­flächen der Schalter auf­zu­spüren. (Bild: M. Krieger, M. Hauck, FAU)

Die Bauelemente der Leistungselektronik sorgen dafür, dass der Strom aus Photo­voltaik- oder Wind­kraft­anlagen optimal ins Strom­netz ein­ge­speist, der Antrieb von Eisen­bahnen mit dem geeig­neten Strom aus dem Fahr­draht ver­sorgt oder der Motor in Elektro- und Hybrid­kraft­fahr­zeugen mit Strom aus den Akkus betrieben wird. Dabei sollen diese Bau­elemente selbst so wenig Strom wie möglich ver­brauchen, denn das würde unnötige Wärme erzeugen, die dann durch Kühlung auf­wändig abge­führt werden muss.

Aufgrund der Materialeigenschaften kommen Bauelemente, die aus Silizium gefertigt werden, hierbei an ihre Grenzen. Besser geeignet ist Silizium­karbid, kurz SiC. Dessen Eigen­schaften sind bestechend: hoch­spannungs­fest, hoch­tempe­ratur­fest, chemisch robust und geeignet für höhere Schalt­frequenzen, die für eine weitere Effi­zienz­steige­rung sorgen können. SiC-Bau­elemente werden bereits seit Jahren zunehmend und sehr erfolg­reich ver­wendet.

Feldeffekttransistoren oder kurz MOSFETs aus Siliziumkarbid erhalten ihre Funktio­na­lität von der Grenz­fläche zwischen SiC und einer darauf auf­ge­brachten, sehr dünnen Schicht Silizium­oxid. Genau diese Grenz­fläche stellt Forscher aber vor große Heraus­forde­rungen: An der Grenz­fläche ent­stehen bei der Her­stel­lung unge­wollte Defekte, die elek­trische Ladungs­träger weg­fangen und damit den Strom im Bau­element redu­zieren. Die Unter­suchung dieser Defekte ist daher extrem wichtig, um das Poten­zial des Materials komplett aus­schöpfen zu können.

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 die Forscher der Uni Erlangen-Nürn­berg 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 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 fast nebenbei die Konzen­tra­tion und Ver­tei­lung der Defekte ermittelt.“

In Experimenten, die das Team mit Hilfe maßgeschneiderter Transis­toren des Industrie­partners Infineon Techno­logies Austria AG und seines Tochter­unter­nehmens Kompe­tenz­zentrum für Auto­mobil- & Industrie-Elek­tronik GmbH durch­führten, hat sich die besonders ein­fache Methode gleich­zeitig als besonders genau heraus­ge­stellt. Der präzise Ein­blick in das Innere 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.

FAU / RK

Weitere Infos

Sonderhefte

Physics' Best und Best of
Sonderausgaben

Physics' Best und Best of

Die Sonder­ausgaben präsentieren kompakt und übersichtlich neue Produkt­informationen und ihre Anwendungen und bieten für Nutzer wie Unternehmen ein zusätzliches Forum.

EnergyViews

EnergyViews
Dossier

EnergyViews

Die neuesten Meldungen zu Energieforschung und -technologie von pro-physik.de und Physik in unserer Zeit.

Meist gelesen

Themen