Präziser Blick ins Innerste von Transistoren hilft Energie sparen
Neue Methode, um Defekte in Leistungstransistoren genauer, schneller und einfacher zu finden
Wo Strom fließt, sind Transistoren nötig – kaum eine elektronische Schaltung kann auf diese kleinen Bauteile verzichten. 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 Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) 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 Transistoren. Ihre Ergebnisse haben sie jetzt in der renommierten Fachzeitschrift Communications Physics veröffentlicht.*
Um Energie in unserer hochtechnologischen Welt zu sparen, müssen die Bauelemente der Leistungselektronik immer effizienter werden. Denn genau diese Bauelemente 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 selber natürlich so wenig Strom wie möglich verbrauchen, denn dies würde unnötigerweise Wärme erzeugen, die durch Kühlung aufwändig abgeführt werden muss und daher vergeudete Energie darstellt.
Aufgrund der Materialeigenschaften kommen Bauelemente, die aus dem Universalhalbleitermaterial Silizium gefertigt werden, hierbei an ihre Grenzen. Besser geeignet ist Siliziumkarbid, kurz SiC, eine Verbindung aus Silizium und Kohlenstoff. 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.
Den Ladungsfängern auf der Spur
Leistungselektronische Schalter aus Siliziumkarbid, sogenannte Feldeffekttransistoren oder kurz MOSFETs, 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.
Muster entdeckt
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 Forscher am Lehrstuhl für Angewandte Physik der FAU 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 Doktorand 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 sozusagen fast nebenbei die Konzentration und Verteilung der Defekte ermittelt.“
In Experimenten, die die Physiker 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 Innerste 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.
*doi: 10.1038/s42005-018-0102-8
Update 28.02.2019:
In der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS ist ein Beitrag über unsere neue Untersuchungsmethode und die Physik an der Siliziumkarbid/Siliziumdioxid-Grenzfläche erschienen!
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