Silizium als Halbleiter: Siliziumkarbid wäre viel effizienter
In der Hochleistungselektronik basieren die Halbleiter auf dem Element Silizium – dabei wäre die Energieeffizienz von Siliziumkarbid deutlich höher. Was den Einsatz dieser Verbindung aus Silizium und Kohlenstoff noch behindert, zeigen Physiker der Universität Basel, des Paul-Scherrer-Instituts und der ABB in der Fachzeitschrift «Applied Physics Letters».
An der Grenzfläche zwischen dem Siliziumdioxid und Siliziumkarbid entstehen unregelmässige Ansammlungen von Kohlenstoffringen, welche die elektronische Funktion einschränken.
University of Basel, Departement Physik/Swiss Nanoscience Institute
Der Energieverbrauch wächst weltweit, immer mehr wird auf elektrische Antriebe gesetzt und nachhaltige Energien wie Wind- und Solarenergie gewinnen an Bedeutung. Dabei wird der elektrische Strom oft weit weg vom Verbraucher erzeugt. Effiziente Verteilungs-und Transportsysteme sind daher ebenso unerlässlich wie Umspannungsstationen und Stromrichter, die den produzierten Gleichstrom in Wechselstrom umwandeln.
Enorme Einsparungen möglich
Die Leistungselektronik muss heute in der Lage sein, mit grossen Stromstärken und hohen Spannungen umzugehen. Nun basieren die heutigen Transistoren aus Halbleitermaterialien für Feldeffekttransistoren 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.
Bekannt ist, dass diese Vorteile durch Defekte an der Grenzfläche zwischen Siliziumkarbid und dem Isolationsmaterial Siliziumdioxid zu einem guten Teil wieder zunichtegemacht werden. Diese Beschädigungen basieren auf winzigen, unregelmässigen Ansammlungen (Clustern) von Kohlenstoffringen, die im Kristallgitter gebunden sind, wie die Forschenden um Prof. Dr. Thomas Jung vom Swiss Nanoscience Institute und Departement Physik der Universität Basel und Paul-Scherrer-Institut experimentell zeigen konnten. Sie weisen mithilfe von Rasterkraftmikroskop-Analysen und Raman-Spektroskopie nach, dass die Defekte nicht nur an der Grenzfläche entstehen, sondern auch in einigen Atomlagen des Siliziumkarbids.
Experimente bestätigt
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 Doktorandin 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 das Team von Prof. Dr. Stefan Gödecker (Departement Physik und Swiss Nanoscience Institute, Universität Basel) bestätigt. Computersimulationen zeigten 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.
Bessere Stromnutzung
«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», kommentiert Jung. Die Arbeiten wurden im Rahmen des Nano-Argovia-Programms für angewandte Forschungsprojekte initiiert.
Originalveröffentlichung
D. Dutta, D. S. De, D. Fan, S. Roy, G. Alfieri, M. Camarda, M. Amsler, J. Lehmann, H. Bartolf, S. Goedecker, T. A. Jung; "Evidence for carbon clusters present near thermal gate oxides affecting the electronic band structure in SiC-MOSFET"; Applied Physics Letters; 2019
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