Energiesparelektronik

Fraunhofer THM optimiert höchstdotierte Siliziumkristalle

| Redakteur: Carina Schipper

Charakterisierung von Dotierstoffinhomogenitäten mittels Photolumineszenz (links) und mittels chemischen Ätzens an hochdotierten Siliziumwafern.
Charakterisierung von Dotierstoffinhomogenitäten mittels Photolumineszenz (links) und mittels chemischen Ätzens an hochdotierten Siliziumwafern. (Bild: Fraunhofer THM)

Kostengünstige und intelligente Leistungselektronik auf Basis optimierter Halbleitermaterialien senkt den Energieverbrauch von Netzteilen und Ladegeräten in Smartphones, Laptops, Solarmodulen und vielen anderen Anwendungen. In dem europäischen ECSEL-Projekt Power Base untersuchen Forscher das Potential von Galliumnitrid- und Siliciumhalbleitern. Das Fraunhofer Technologiezentrum für Halbleitermaterialien THM in Freiberg trägt im Rahmen von Power Base dazu bei, die industrielle Herstellung von hochdotierten Siliciumkristallen mit 300 mm Durchmesser in Hinblick auf die Kristallausbeute zu verbessern.

Angetrieben durch die politischen Themen Energieeffizienz und CO2-Reduktion haben sich Leistungshalbleiter für die Energieversorgung, die Automobil- und die Industrieelektronik zu einem Wachstumsfeld mit hoher Bedeutung entwickelt, so die Wissenschaftler. Zu den technischen Zielen in der Leistungselektronik gehören die Erhöhung der Schaltgeschwindigkeit und die Verringerung der Stromverluste pro Chipfläche. Diese Maßnahmen steigern die Energiedichte und reduzieren die Kosten. Leistungselektronische Bauelemente werden unter anderem auf Basis von hochdotiertem Silicium hergestellt, erklärt das THM. Um bei vertikalen leistungselektronischen Bauelementstrukturen die Widerstandsverluste in Durchlassrichtung zu minimieren, brauchen die Forscher Siliciumkristalle mit einem sehr geringen elektrischen Widerstand bis hin zu 0,001 Ωcm. Steigt der Durchmesser der kristallinen Halbleitersubstrate, sinken die Herstellungskosten für die Bauelemente. In der Leistungselektronik verlangt die Industrie zunehmend nach hochdotierten Kristallen mit 300 mm Durchmesser. „Diese Siliciumkristalle werden nach dem Czochralski-Verfahren durch Ziehen aus der Siliciumschmelze hergestellt. Den niedrigen elektrischen Widerstand erreicht man bereits beim Kristallziehprozess durch die gezielte Zugabe von Phosphor als Dotierstoff. Die benötigten hohen Mengen an Dotierstoff können jedoch - insbesondere beim Herstellungsprozess von Kristallen mit 300 mm Durchmesser - Instabilitäten verursachen, die die Kristallausbeute mindern“, beschreibt Dr. Jochen Friedrich, Sprecher des Fraunhofer THM.

Ursachen für Instabilität finden

An diesem Punkt setzten nun im Rahmen des ECSEL-Projektes Power Base die Arbeiten des Fraunhofer THM an, heißt es. Die Fraunhofer-Experten nutzen ihre Erfahrung im Bereich der Kristallzüchtung, Simulation und Charakterisierung, um herauszufinden, woher genau die Instabilitäten bei hohen Dotierstoffkonzentrationen im Kristall rühren. Die Ergebnisse sollen helfen, verfahrenstechnische Lösungen zu entwickeln, um die Kristallausbeute zu erhöhen. Außerdem müssten die Wechselwirkungen der Dotieratome mit anderen atomaren Defekten bei hohen Dotierstoffkonzentrationen im Silicium genauer analysiert werden, um mögliche Auswirkungen auf die späteren Bauelementeigenschaften ableiten zu können, erklären die Wissenschaftler. Durch diese Arbeiten könne die Silicium-Leistungselektronik an die Grenzen des technisch Machbaren gebracht werden, insbesondere hinsichtlich Kosten und Effizienz.

Zu Power Base gehört auch die Forschung an Galliumnitrid-Leistungsbauelementen. Galliumnitrid erlaubt höhere Durchbruchfeldstärken und schnellere Schaltgeschwindigkeiten als Silizium. Jedoch steht Leistungselektronik auf Basis von Galliumnitrid, gegenüber Silicium, noch am Anfang ihrer Entwicklung. Der Vergleich beider Technologien erhält eine strategische Bedeutung und die neuen Leistungsbauelemente auf Galliumnitrid-Basis müssen sich an den optimierten Siliciumhalbleitern messen lassen.

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