Kurzbeschreibung

Die Leistungselektronik wird derzeit von Siliziumtechnologien dominiert, die jedoch an physikalische Grenzen stoßen: Sie sind nicht in der Lage, hohe Leistungsdichten effizient zu verarbeiten oder bei den für künftige Kommunikationssysteme erforderlichen Frequenzen mit geringem Energieverlust zu arbeiten. Wide-Bandgap-(WBG)-Verbindungshalbleiter wie SiC, GaN und β-Ga₂O₃ bieten hier entscheidende Vorteile – unter anderem höhere Schaltgeschwindigkeiten, höhere Spannungs- und Temperaturtoleranzen sowie geringere Energieverluste. Sie ermöglichen zudem kompaktere und leichtere Systeme im Vergleich zur herkömmlichen Siliziumtechnologie.

Obwohl Europa gut positioniert ist, um eine führende Rolle bei der Einführung von WBG-Halbleitern zu übernehmen, bestehen weiterhin wesentliche Herausforderungen, insbesondere aufgrund der Defektsensitivität dieser Materialien. Diese führt derzeit zu niedrigen Ausbeuten und eingeschränkter Zuverlässigkeit. Um eine breite industrielle Anwendung zu ermöglichen, sind schnelle, zerstörungsfreie und rückführbare Messmethoden erforderlich, die Defekte mit hoher räumlicher Auflösung identifizieren und quantifizieren können – einschließlich deren Auswirkungen auf Material- und Bauteileigenschaften.

Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung neuartiger metrologischer Verfahren zur quantitativen Charakterisierung von WBG-Halbleitern, die für die Herstellung zukünftiger Leistungselektronik entscheidend sind.

Teilziele des Projekts:

  • Entwicklung schneller, zerstörungsfreier Messinstrumente zur Detektion nanoskaliger (<100 nm) Defekte auf 15 cm-Halbleiterwafern und -chips, basierend auf z. B. optischer Streumessung, Spektroskopie, komprimierter Sensorik oder anderen in-line Verfahren.
  • Etablierung rückführbarer, hochaufgelöster Analyseverfahren zur Defektcharakterisierung im Bereich 5 nm–10 µm bei einer lateralen Auflösung <50 nm, z. B. mittels optischer und elektrischer Rastersondenmikroskopie.
  • Korrelation von schnellen optischen Messdaten mit hochauflösenden Methoden zur Quantifizierung von Defektdichten und -arten mit Unsicherheiten <10 %.
  • Identifikation kritischer Messgrößen (Measurands) und Bewertung der Auswirkungen verschiedener Defekttypen auf optoelektronische Eigenschaften und Geräteleistung bei WBG-Materialien wie SiC, GaN und neuen Kandidaten wie Ga₂O₃.
  • Förderung der Verwertung der entwickelten Messinfrastruktur durch akkreditierte Prüflabore, Messgerätehersteller, Normungsgremien (z. B. CEN, ISO) sowie Anwender aus der Halbleiter- und Leistungselektronikindustrie.

Das Projekt verfolgt einen ganzheitlichen, grenzüberschreitenden Ansatz, der nationalen Metrologieinstitute, Forschungseinrichtungen und industrielle Partner zusammenführt – mit dem Ziel, die messtechnischen Grundlagen für eine neue Generation von Leistungshalbleitern zu schaffen.

Im Teilprojekt an der TU Wien wird im Rahmen einer Dissertation eine neuartige Technologie zur Herstellung defektarmer Siliziumdioxid-Schichten auf 4H-SiC entwickelt und untersucht. Der Fokus liegt auf der Prozessierung und elektrischen Charakterisierung der SiO₂/4H-SiC-Grenzfläche sowie deren Eignung für den Einsatz in leistungselektronischen Bauelementen.

 

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Publikationen

  1. Nanjappan, C., Pfusterschmied, G., & Schmid, U., Electrical Characterization of the SiO₂/4H-SiC Interface, In Sensor and Measurement Science International (SMSI 2023) (pp. 235–236). https://doi.org/10.5162/SMSI2023/D5.3 

Fördergeber

  •  European Union's Horizon 2020 - EMPIR programme - 20IND09 “PowerElec”

Konsortium

Koordinator 

  • NPL - National Physical Laboratory 

Interne Partner

  • BAM - Bundesanstalt fuer Materialforschung und - pruefung
  • BEV-PTP - Physikalisch-Technischer Pruefdienst des Bundesamt fuer Eich- und Vermessungswesen
  • CMI - Cesky Metrologicky Institut
  • PTB - Physikalisch-Technische Bundesanstalt
  • TUBITAK - Turkiye Bilimsel ve Teknolojik Arastirma Kurumu
  • NPL - National Physical Laboratory 

Externe Partner

  • AIXTRON SE
  • CEA-Leti - Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives - Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information
  • CSC - Compound Semiconductor Centre Limited
  • IKZ - Forschungsverbund Berlin e.V. - Leibniz-Institut für Kristallzüchtung
  • TU Delft
  • TU Wien
  • Infineon Technologies Austria AG