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.
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
