Fraunhofer IKTS: Bessere Halbleiter-Substrate für die Leistungselektronik

Ziel der SiC-Kristallzucht sind große und fehlerfreie Einkristalle. Deren Qualität hängt von vielen Parametern ab, bspw. dem Startkristall, dem Temperaturgradienten während des Wachstumsprozesses, der Qualität des SiC-Rohmaterials (Pulver), der Abdampfrate des SiC-Pulvers und auch der Gestaltung des Ofeninnenraums der Kristallzuchtanlage. Im Projekt SaxCrystalPower stehen diese Prozessparameter, deren konkreter Einfluss auf den resultierenden SiC-Einkristall sowie die atomar aufgelöste Charakterisierung der entstandenen Einkristallstrukturen im Fokus.

Zentral in der SiC-Einkristallzucht ist die Herstellung hochreinen SiC-Pulvers. Diese ist äußerst aufwändig und bisher nur im Technikumsmaßstab realisiert. Das Pulver wird als Schüttung in den Ofen eingebracht, um sich bei hohen Temperaturen von über 2000 °C am Startkristall abzuscheiden. Für die Abscheidung größerer Einkristalle müsste mehr Pulver in den Ofen eingebracht werden, was aufgrund des begrenzten Ofenvolumens nur über eine Verdichtung der Pulverpartikel möglich ist.

Im Projekt SaxCrystalPower geht das Fraunhofer IKTS diese Herausforderungen an und baut auf den umfassenden Kompetenzen des Instituts in Materialentwicklung, Pulvercharakterisierung und Sinterverfahren auf. In einem ersten Schritt soll der Einfluss von Partikelgröße und Temperatur auf die Ausbildung bestimmter SiC-Polytypen experimentell untersucht werden. Daraufhin werden die synthetisierten Pulver im Hinblick auf ihre Eignung für die Kristallzucht untersucht und hinsichtlich ihrer möglichen Verdichtung durch Sintern bewertet.

Um die entstehenden Qualitäten der SiC-Einkristalle grundlegend und für deren Anwendung als wide bandgap-Halbleiter-Substrate zu bewerten, wird am Fraunhofer IKTS ein neues hochaufgelöstes Transmissionselektronenmikroskop (TEM) aufgebaut. Mit dieser neuen und leistungsstarken Nanoanalytik-Technik können die Zusammenhänge von Technologieparametern beim Sintern und der Entstehung von Kristalldefekten atomar aufgelöst untersucht werden. Einzigartig ist dabei auch, dass Defektdichten und Defekttypen in den Kristallen in 3D charakterisiert werden können. Das geht weit über die bisher übliche Kristallographie von Defekten in 2D hinaus.

Später sollen weitere Kristallzuchtbedingungen in einer neuen SiC-Einkristallzuchtanlage untersucht werden. Dafür werden die experimentell hergestellten Einkristalle hinsichtlich der erreichten Dimensionen, der Masseänderungen sowie der kristallografischen Eigenschaften untersucht und die Anlage daraufhin angepasst. Zur Bestimmung der Art der Fehler und der Fehlerdichten in den Einkristallen sollen verschiedene Messmethoden miteinander kombiniert werden: beginnend bei atomar aufgelösten kristallografischen Untersuchungen im TEM, über chemische Analysen zum Nachweis der Reinheit bzw. der genauen Einstellung von Dotierungen bis zu elektrischen Untersuchungen zur Messung der Ladungsträgerkonzentration, der Ladungsträgerart und der Ladungsträgerbeweglichkeit mittels Hall-Effekt-Messungen.

Mit diesen Arbeiten liefert das Fraunhofer IKTS wertvolle Beiträge zu Korrelationen zwischen den Eigenschaften von SiC-Einkristallen und entsprechenden Prozessparametern der Einkristallzuchtanlage. Damit wird die Basis für vielversprechende Weiterentwicklungen in der SiC-Einkristallentwicklung gelegt. Mit einem neuen hochauflösendem TEM wird im Projekt zudem eine Forschungsinfrastruktur am Fraunhofer IKTS geschaffen, die die Elektronik- und Materialforschung im Gesamten deutlich nach vorn bringt.

Projektname: Werkstoff-/Technologiebasis für SiC-Halbleiter-Herstellung und -Verarbeitung zur Stärkung Sachsens Leistungselektronikbranche (SaxCrystalPower-FuE)
Projektzeitraum: Mai 2024 – August 2027
Finanzierung: EFRE
Projektwebseite: https://www.xn--europa-frdert-sachsen-oec.de/de/projekte/49566

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Weiterführende Links

👉 www.ikts.fraunhofer.de 

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