Forschung

Halbleiter: Siliziumkarbid ist besser als Silizium

09.09.2019 - 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.

 

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

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