Forschung -

SiC-Halbleiter im Lachgas

Halbleiter auf Basis von Siliziumkarbid sind effizienter als Siliziumbausteine. Physiker haben gezeigt, was den Einsatz dieser Verbindung aus Silizium und Kohlenstoff noch behindert und wie man dagegen Abhilfe schaffen kann.

Die Leistungselektronik muss mit großen Stromstärken und hohen Spannungen umgehen. Nun basieren die heutigen Transistoren vor allem auf der Siliziumtechnologie. Der gegenüber hätte die Verbindung Siliziumkarbid physikalisch und chemisch einige entscheidende Vorteile: neben einer weit höheren Hitzeresistenz vor allem eine deutlich bessere Energieeffizienz.

Bekannt ist, dass diese Vorteile durch Defekte an der Grenzfläche zwischen Siliziumkarbid und dem Isolationsmaterial Siliziumdioxid zu einem guten Teil wieder zunichtegemacht werden. Diese Defekte basieren auf unregelmäßigen Ansammlungen (Clustern) von Kohlenstoffringen, die im Kristallgitter gebunden sind, wie die Forschenden um Professor Thomas Jung der Universität Basel und des Paul-Scherrer-Instituts experimentell zeigen konnten. Sie wiesen mithilfe von Rasterkraftmikroskop­analysen und Raman-Spek­troskopie nach, dass die Defekte nicht nur an der Grenzfläche entstehen, sondern auch in einigen Atomlagen des Siliziumkarbids.

Die störenden 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 Lachgasatmosphäre 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 effektiveren Nutzung elektrischer Energie beitragen“, kommentiert Jung.

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