Neue Halbleitermaterialien

Im späten 19. Jahrhundert wurde Siliciumcarbid (SiC) hauptsächlich bei Schneidwerkzeugen, Schleifscheiben und Sandpapier eingesetzt. Heute stellt es eine der Grundlagen für Halbleitermaterialien dar.

Industrielle Technologien

Siliciumcarbid ist ein dunkles bis hellgrünes Material mit der chemischen Formel SiC. Es wird normalerweise in einem Elektrolichtbogenofen hergestellt. In seiner Eigenschaft als Schleifmittel und als Werkstoff für verschiedene Bauteile wurde es intensiv untersucht. Es ist allerdings auch ein Halbleiter mit hoher Bandlücke, der momentan für den Einsatz in Anwendungen bei hohen Leistungsdichten, hohen Temperaturen und hohen Frequenzen weiterentwickelt wird. Das Interesse an diesem Material ist begründet durch seine große Elektronenbeweglichkeit in Bezug auf ein Phänomen, das als Polytypie bezeichnet wird. Je nach Schichtenfolge der Si-C-Tetraeder weisen SiC-Kristalle unterschiedliche Strukturen auf. Die wichtigsten Polytypen des SiC, die untersucht wurden, weisen entweder eine kubische (3C) oder hexagonale (4H oder 6H) Struktur auf. Die größte Elektronenbeweglichkeit weißt die 3C-Struktur auf. Hierdurch, und wegen der kleineren Bandlücke, eignet es sich außerordentlich gut für den Einsatz in mittleren Leistungsbereichen (300-1200V, 10-100A). Das Interesse richtete sich bisher auf die hexagonalen Polytypen. Grund hierfür ist die kommerzielle Verfügbarkeit von Substraten dieses Polytyps, die aus großen SiC-Kristallen gesägt werden. Das SOLSIC-Projekt hat dieses Problem gelöst. Im Rahmen dieses Projekts wurden kubische SiC-Kristalle und Wafer hergestellt, gleichzeitig wurden die Eigenschaften von kubischem SiC erforscht. Spezielle Gleichrichter wie Schottky-Dioden oder verschiedene Arten von Transistoren wie MOSFET-Transistoren (Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffektransistor) wurden auf Basis von 3C-SiC entwickelt. Eine Fertigungslinie für die Herstellung dieser Bauteile wurde eingerichtet. Die Herstellung beinhaltet das epitaxiale Wachstum von n- und p-dotierten Schichten, die Ionenimplantation mit anschließender thermischer Nachbehandlung, die Lithografie, das Trockenätzen, die Abscheidung von Siliciumdioxid und Siliciumnitrid sowie die thermische Oxidation. Die hergestellten Bauteile weisen mit modernen Bauteilen identische Leistungswerte auf, bei denen hexagonales SiC verwendet wurde. Die Anzahl der Gitterfehler, die anfangs die erwartete Leistungsfähigkeit einschränkten, wurde reduziert. Zum Schluss konnte gezeigt werden, dass bei Anwendungen in mittleren Leistungsbereichen von 300 bis 600V die mit kubischem SiC gefertigten Bauteile ein außergewöhnlich hohes Leistungsniveau aufwiesen.

New cubic silicon carbide material for innovative semiconductor devices

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