Siliziumkarbid Basis für künftige Hochleistungshalbleiter

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1 Siliziumkarbid Basis für künftige Hochleistungshalbleiter Als Basis für Leistungshalbleiter dürfte neben Silizium innerhalb der nächsten zehn Jahre zunehmend Siliziumkarbid verwendet werden, besonders bei Sperrspannungen über 500 V. Gegenüber den heutigen Leistungshalbleitern auf Siliziumbasis haben Bauelemente aus Siliziumkarbid erheblich geringere Verluste. Außerdem bewältigen sie höhere Sperrspannungen und Betriebstemperaturen. H albleiterbauelemente, wie Dioden, Thyristoren, Transistoren und IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor), sind Schlüsselkomponenten der ABB-Leistungselektronik. Ihre Anwendungsgebiete sind u.a. Antriebe, Energieversorgungssysteme und schienengebundene Fahrzeuge, wie Straßenbahnen und elektrische Lokomotiven. Im oberen Teil des Spektrums findet man statische Blindleistungskompensatoren und andere Ausrüstungen zur Verbesserung der Energieübertragung, darunter auch Anlagen für die Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ). Der Leistungsbereich für ABB-Produkte mit Halbleiterbauelementen umspannt acht Größenordnungen von einigen hundert Watt bis zu einigen Gigawatt. ABB produziert selbst Leistungshalbleiter, vor allem solche mit Durchbruchspannungen über 1,5 kv. Wichtige Produkte sind hier GTO-Thyristoren (Gate Turn Off), Hochspannungsthyristoren und Dioden. Das ideale Schaltelement bisher noch ein Wunschtraum Schaltkreisentwickler wünschen sich ein Bauelement, das im Ausschaltzustand hohe Spannungen sperren und im Durchlaßzustand hohe Ströme führen kann und das sich außerdem mit minimalem Energieaufwand und möglichst verlustlos von dem einen in den anderen Zustand umschalten läßt. Dieses ideale Bauelement gibt es noch nicht. In der Praxis werden je nach Anwendungsbereich unterschiedliche Schaltelemente benutzt, die sich dem Ideal von verschiedenen Seiten her nähern. Die hohen Leistungsverluste von Halbleiter- Schaltelementen zwingen den Schaltkreisentwickler häufig zur Wahl eines weniger idealen Schaltelementtyps. Dieses Problem verschärft sich bei höherer Spannung 1. Der MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) kommt dem idealen Schaltelement am nächsten. Leider eignet er sich nur für verhältnismäßig niedrige Spannungen, da die Verluste sehr rasch mit der Sperrspannung ansteigen. Der IGBT ist gewissermaßen ein modifizierter MOSFET, der die Nachteile des Dr. Karl Bergman ABB Forschungszentrum Västerås/Schweden MOSFET umgeht allerdings auf Kosten höherer Umschaltverluste. Seit den achtziger Jahren hat der IGBT den BJT (Bipolar Junction Transistor) als Leistungshalbleiter für Sperrspannungen von einigen hundert Volt bis hinauf zu 2 kv mehr und mehr verdrängt. Oberhalb von 2 kv beherrscht noch immer der GTO-Thyristor das Feld. Er kann sehr hohe Leistungen steuern, erfordert aber gegenüber MOS- FETs und IGBTs einen verhältnismäßig großen Schaltungsaufwand. Was der Schaltkreisentwickler sucht, ist also ein Bauelement, das die leichte Anwendbarkeit der MOSFETs mit der hohen steuerbaren Leistung der IGBTs und GTOs in sich vereint, also auf 1 in der rechten oberen Ecke zu finden wäre. Das ist aber genau das, was ein MOSFET aus Siliziumkarbid bietet. Siliziumkarbid-Bauelemente Siliziumkarbid (SiC) hat eine etwa zehnmal so hohe Durchschlagfestigkeit gegen elektrische Felder wie Silizium (Si). Damit können die Verluste von Bauelementen aus SiC erheblich niedriger sein. Beispielsweise dürften MOSFET-Strukturen auf SiC-Basis Durchbruchspannungen von mehreren Kilovolt bewältigen, während der Höchstwert bei entsprechenden Si-Bauelementen auf V beschränkt ist. In der Vergangenheit haben neue Schaltelementtypen die Bauweise von Systemen der Leistungselektronik revolutioniert. So änderte die Einführung des GTO, des ersten wirklichen Hochleistungsbauelements mit hohem Abschaltvermögen, die Bauweise elektrischer Lokomotivantriebe: von Gleichstrom- und Synchron-Fahrmotoren mit Speisung durch netzkommutierende Stromrichter konnte man auf Drehstrom-Fahrmotoren mit Speisung durch selbstgeführte Umrichter mit Gleichspannungs-Zwischenkreis übergehen. Bei Antrieben für die Industrie ließen sich durch die Einführung von IGBTs die Steuer- und Hauptstromkreise vereinfachen, was zu einem verbesserten Betriebsverhalten und zu gesenkten Kosten führte. A BB Technik 1/

2 A MOSFET log P BJT IGBT GTO Subjektiver Vergleich 1 verschiedener Typen von Halbleiterbauelementen: Praktische Anwendbarkeit A in Abhängigkeit von der steuerbaren Leistung P Siliziumkarbid bewältigt zehnmal so hohe Feldstärke Um eine Spannung U b bewältigen zu können, muß die Sperrschicht eines Halbleiters eine bestimmte Dicke haben, damit die höchste elektrische Feldstärke E max, die das Material ohne Durchbruch bewältigt, nicht überschritten wird. Die Mindestdicke W der Sperrschicht ergibt sich dann aus folgender Beziehung: W > 2 U b E max (1) Unter bestimmten Konstruktionsbedingungen kann der Faktor 2 im Zähler entfallen. Der größte Vorteil von SiC liegt darin, daß es eine ungefähr zehnmal so hohe elektrische Feldstärke E max bewältigt wie Si 1). Folglich beträgt die erforderliche Dicke eines SiC-Bauelements für eine bestimmte Spannung nur ein Zehntel eines entsprechenden Si-Bauelements. Die folgende Beziehung, allgemein als Maxwellsche Gleichung bekannt, berücksichtigt auch die Dotierung des Halbleiter- 1) In dieser Darstellung wird die Feldstärke E max der Einfachheit halber als Konstante behandelt, obwohl sie eigentlich sowohl von der Dotierung als auch von der Temperatur abhängig ist. Der dadurch auftretende Fehler ist jedoch verhältnismäßig gering. materials, d. h. den gesteuerten Störstellengehalt: de dx = = qn + d 0 0 (2) Hierin bedeutet die Raumladungsdichte, die Permittivität, 0 die elektrische Feldkonstante, q die Elementarladung und N + d die ionisierte Donatorkonzentration. Es wurde angenommen, daß die Spannung durch eine niedrigdotierte n-schicht gesperrt wird, wie es bei den meisten Siund SiC-Bauelementen der Fall ist. Bei Annahme einer konstanten Dotierdichte und durch Kombination von Gln. (1) und (2) ergibt sich: N d + < 0 E max 2 qu b (3) Für eine bestimmte Durchbruchspannung und mit der zehnmal so hohen Feldstärke, wie sie bei SiC möglich ist, kann die Dotierung in der leitenden Schicht rund 100mal höher sein als bei Si. SiC-MOSFETs haben niedrigere Durchlaßverluste Ein MOSFET ist der Leistungshalbleiter mit den sowohl für den Schaltkreisentwickler als auch für den Endverbraucher vorteilhaftesten Eigenschaften 2. Wie schon erwähnt, wurden MOSFETs jedoch bisher nur für Durchbruchspannungen bis zu wenigen hundert Volt benutzt. Eine der Erklärungen hierfür gibt folgende Beziehung: 2 4 U r ds,on = b µ 0 E max 2 3 (4) r ds,on ist der spezifische Widerstand (in cm 2 ) der Sperrschicht, die auch als Driftfeld eines vertikalen MOSFET bezeichnet wird. Der Widerstand erhöht sich mit breiterem Driftfeld und nimmt mit erhöhter Dotierung ab, da hierdurch die Anzahl der Ladungsträger, die den Strom transportieren, ansteigt. Das Symbol µ bezeichnet die Beweglichkeit dieser Ladungsträger, also gewöhnlich der Elektronen. Nach Gl. (4) erhöht sich der Widerstand im Driftfeld des MOSFET mit dem Quadrat der Durchbruchspannung. Bei Si werden bereits bei Durchbruchspannungen von wenigen hundert Volt unzulässig hohe Widerstandswerte erreicht. Außerdem erkennt man, daß der Widerstand mit der dritten Potenz des kritischen Feldes abnimmt. Da die kritische Feldstärke von SiC rund zehnmal so hoch ist wie die von Si, sind die Durchlaßverluste von SiC- MOSFETs sehr viel niedriger als die der entsprechenden Si-Bauelemente. Das gilt zumindest in dem Leistungsbereich, in dem die Durchlaßverluste vom Driftfeld beherrscht werden. Diese Erkenntnisse gelten für alle sogenannten unipolaren Bauelemente, bei denen nur ein einziger Träger zur Stromführung verwendet wird, also MOSFETs, JFETs (Junction Field Effect Transistors) und Schottky-Dioden. Bipolare Bauelemente für höhere Durchbruchspannungen Da MOSFET-Strukturen auf Si-Basis für Durchbruchspannungen oberhalb von einigen hundert Volt nicht mehr benutzt werden können, muß der Schaltkreisentwickler in den höheren Spannungsbereichen auf bipolare Bauelemente zurückgreifen. Wie aus Gl. (3) ersichtlich ist, wird der Widerstand durch die Anzahl der verfügbaren Ladungsträger N + d begrenzt. In bipolaren Bauelementen, wie pn-dioden, IGBTs und GTOs, wird beim Einschalten des Bauelements die Anzahl der Ladungsträger durch Injektion seitens der Anoden- und Kathodenemitter erhöht. Struktur eines möglichen 2 MOSFET auf SiC-Basis. Die n - -Schicht ist die sperrende Zone des Bauelements und beeinflußt weitgehend das Durchlaßverhalten. Gate Source n + p n - n + Drain 38 A B B T e c h n i k 1 /1996

3 SiC-Versuchssubstrate (Wafers) verschiedener Größe mit Diodenstruktur (Foto: IMC) 3 Mikroaufnahme von Mikroschläuchen (dunkle Linien), die durch ein Substrat verlaufen. Diese Defekte haben einen Durchmesser von rund 1 µm. (Foto: Universität Linköping) 4 Das führt zu gegenüber MOSFET-Strukturen dramatisch verminderten Durchlaßverlusten. Die Kathode injiziert Elektronen und die Anode Löcher. Der Strom wird also sowohl von negativ geladenen Elektronen als auch von positiv geladenen Löchern getragen: daher der Ausdruck bipolar. Eine bipolare Ladungsträgerinjektion hat jedoch den Nachteil, daß die überschüssige Ladung beim Ausschalten erst ausgeräumt werden muß, bevor das Bauelement wieder in den Sperrzustand zurückkehren kann. Diese Ausräumung erfolgt durch einen entgegengesetzten Strom und sogenannte Rekombination, d. h. durch gegenseitige Neutralisierung von Elektronen und Löchern. Die Zeit für das Ausräumen von überschüssigen Ladungsträgern ist durchaus nicht vernachlässigbar. Spannung und Strom können während dieses Intervalls gleichzeitig sehr hohe Werte annehmen, wodurch die Umschaltverluste stark ansteigen. Für den Vorteil relativ niedriger Durchlaßverluste muß man also verhältnismäßig hohe Umschaltverluste in Kauf nehmen. Natürlich müssen die Ladungsträger auch in MOSFETs und anderen unipolaren Bauelementen ausgeräumt werden, aber die hierbei auftretenden Verluste sind normalerweise viel geringer als bei bipolaren Bauelementen. Der Gesamtbetrag der injizierten spezifischen Ladung q inj beträgt: q inj = J (5) J ist die Stromdichte und die sogenannte Lebensdauer der Minoritätsträger, also die durchschnittliche Zeit für die Rekombination eines Elektrons und eines Loches. Die Lebensdauer von Leistungshalbleitern ist von der Konzentration der Störstellen abhängig. Sie wird vom Hersteller bestimmt, der für jeden Halbleitertyp und je nach Anwendungsbereich einen angemessenen Kompromiß zwischen Durchlaß- und Umschaltverlusten anstrebt. Bipolare SiC-Bauelemente für Spannungen über 10 kv Wie schon erwähnt, greift der Schaltkreisentwickler nur dann auf bipolare Bauelemente zurück, wenn die Betriebsspannung für unipolare Bauelemente MOS- FET und Schottky-Dioden zu hoch ist. Zukünftig ermöglicht jedoch die Verwendung von SiC bei MOSFET-Strukturen und A B B Technik 1/

4 Schottky-Dioden eine erheblich höhere Durchbruchspannung als bei Si. Es sind also in den meisten Anwendungsbereichen MOSFET-Strukturen zu erwarten. Das gilt ganz besonders bei Betriebsspannungen bis zu mehreren Kilovolt. In manchen Anwendungsgebieten, wie bei der Blindleistungskompensation und der HGÜ, sind die Betriebsspannungen viel höher als die höchste Durchbruchspannung, die mit dem allerbesten Halbleitermaterial zu erzielen ist. In solchen Fällen hilft nach wie vor nur die Reihenschaltung von Bauelementen. Die Durchbruchspannung der Bauelemente wird so gewählt, daß sich ein Optimum zwischen Verlusten und Systemverhalten ergibt. Thyristoren für solche Anwendungsgebiete haben eine typische Durchbruchspannung von 6 7 kv. Diese Spannung ist ein Kompromiß zwischen den Kosten, den technischen Daten sowie den Durchlaß- und Umschaltverlusten. Bei derart hohen Durchbruchspannungen ist eine Schichtdicke von rund 1 mm und eine Ladungsträger- Lebensdauer von rund 100 µs erforderlich, wodurch sich beträchtliche Umschaltverluste ergeben. Mit SiC wird die Durchbruchspannung der Bauelemente für diese Anwendungsbereiche vermutlich sehr viel höher. Auch Bauelemente für Durchbruchspannungen weit über 10 kv sind denkbar. Die erforderliche Lebensdauer der Minoritätsträger würde zwischen 1 und 10 µs liegen, wodurch sich die Möglichkeit eines angemessenen Schaltverhaltens ergibt. SiC-Bauelemente bewältigen erheblich höhere Temperaturen Für bipolare Leistungsbauelemente auf Si-Basis empfiehlt sich normalerweise eine Betriebstemperatur unter 125 C, während unipolare Bauelemente wie MOSFETs bei Temperaturen bis 150 C betrieben werden können. Physikalisch erklären sich diese Begrenzungen durch höhere Streuströme, die höhere Temperaturen in Rückwärtsrichtung in sperrenden pn-übergängen zur Folge haben, so daß sich die Gefahr «thermischer Lawinen» erhöht. Da die Ladungsträger-Lebensdauer zunimmt, können zudem parasitische destruktive Prozesse ausgelöst werden. Schließlich gehört auch eine verminderte Beweglichkeit dazu, die zu erhöhten Durchlaßverlusten in unipolaren Bauele- Das Epitaxialwachstum auf Siliziumkarbid erfolgt durch Hochfrequenz-Erwärmung auf Temperaturen von rund 1500 C. (Foto: IMC) 5 40 ABB Technik 1/1996

5 menten führt. Selbstverständlich muß die Betriebstemperatur unterhalb derjenigen Temperatur bleiben, bei der das Halbleitermaterial auf Eigenleitung übergeht, die Ladungsträgerdichte also nicht mehr von der Dotierung, sondern vom Bandabstand des Halbleiters abhängig ist. Oberhalb dieser Grenze geht die Fähigkeit zur Stromsteuerung und Spannungssperrung verloren. Für Si liegt sie bei rund 300 C. Im Gegensatz dazu lassen sich Bauelemente auf SiC-Basis bei erheblich höheren Temperaturen betreiben. Die Streuströme in pn-übergängen sind außerordentlich klein, so daß sich die Spannung auch bei Temperaturen über 300 C sperren läßt. Die Grenze für Eigenleitung wird erst weit oberhalb von 1000 C erreicht. Zum Beispiel hat eine amerikanische Forschungsgruppe ein SiC-MOSFET bei einer Temperatur von 650 C betrieben. Diese hohe Temperaturbelastbarkeit wird sicherlich einige Verbesserungen in Systemen der Leistungselektronik ermöglichen. Hierbei ist jedoch darauf hinzuweisen, daß die erwähnten niedrigen Verluste für Betriebstemperaturen und Stromdichten gelten, wie sie für Si-Halbleiter üblich sind. Warum sind SiC-Bauelemente noch nicht verfügbar? Die Vorteile von SiC-Halbleiterbauelementen sind bereits seit den sechziger Jahren bekannt. Daß heute trotzdem immer noch keine SiC-Bauelemente verfügbar sind, liegt an verfahrenstechnischen Problemen. Industriell wurde dieses Material bisher hauptsächlich als Schleifmittel benutzt, meistens unter dem Namen Karborund. SiC läßt sich bei beherrschbaren Drücken nicht schmelzen, sondern geht beim Schmelzpunkt von rund 2500 C direkt in den gasförmigen Zustand über. Das Kristall muß deshalb aus der Gasphase gezüchtet werden, was erheblich komplizierter ist als bei dem bei ungefähr 1400 C schmelzenden Silizium. Eines der größten Hindernisse auf dem Weg zum Durchbruch der SiC-Technik ist, ein geeignetes Substrat (Trägermaterial) Mikroskopisches Messen der Durchbruchspannung einer SiC-Diode in SF 6 -Gas (Foto: IMC) ausreichender Qualität für die kommerzielle Herstellung von Halbleiterbauelementen zu finden. Bevor überhaupt mit der Produktion begonnen werden kann, ist nämlich genau wie bei Si-Halbleitern ein monokristallines Substrat (Wafer) erforderlich. Ein Verfahren zur Herstellung großflächiger SiC-Substrate wurde in den späten siebziger Jahren entwickelt 3. Die nach dieser sogenannten modifizierten Lely-Methode hergestellten Substrate haben jedoch einige schwerwiegende Defekte, die als Mikroschläuche bezeichnet werden 4. Wie sich zeigte, kann ein einziger Mikroschlauch durch einen Hochspannungs-pn-Übergang die Fähigkeit zum Sperren der Spannung vollkommen zunichte machen. Die Dichte solcher Defekte konnte in den vergangenen drei Jahren von Tausenden auf je Quadratzentimeter gesenkt werden. Trotz 6 ABB Technik 1/

6 -5000 U BR V dieser Verbesserungen ist die Größe der Bauelemente aber immer noch auf wenige Quadratmillimeter begrenzt, wenn die Ausbeute des Verfahrens mehr als nur wenige Prozent betragen soll. Damit ist auch der höchstzulässige Strom je Bauelement auf wenige Ampere beschränkt. Um SiC-Leistungshalbleiter zu einer kommerziellen Realität werden zu lassen, sind deshalb weitere Verbesserungen in der Substrattechnologie erforderlich. U 160 µm A/cm Strom-Spannungs-Kennlinie und schematischer Aufbau einer Versuchsdiode auf SiC-Basis mit einer Durchbruchspannung von 4,5 kv J Stromdichte p + Emitter, 1,5 µm, 1 x cm 3 U Spannung n Basis, 45 µm, 1 x cm 3 U BR Durchbruchspannung n + Substrat p + n - n + Forschung auf dem Gebiet der Siliziumkarbide ABB gehört heute zu den führenden Unternehmen bei der Entwicklung dieser neuen Technik. Die Forschung bei ABB konzentriert sich auf Verfahren zur Herstellung von Bauelementen. Dazu gehören das Ätzen, die Auflage der Isolierschichten, die Oxidation, Metallisation und Kontaktierung. Im Gegensatz zur Si-Technologie wird ein großer Teil des für die Halbleiterstruktur benötigten SiC-Materials von den Bauelementeherstellern gezüchtet und nicht von den Substratlieferanten. Das liegt daran, daß die Dotierung, also die kontrollierte Einführung von Störstellen durch Diffusion, bei hohen Temperaturen für SiC nicht praktikabel ist. Stattdessen werden die Störstellen bei der Epitaxie des Materials injiziert. Für sehr flache Strukturen, einschließlich der Kontaktschichten, lassen sich ähnlich wie bei Silizium Ionen injizieren. Zusammen mit ihren Forschungspartnern, der Universität Linköping/Schweden und dem Stockholmer Zentrum für industrielle Mikroelektronik (IMC) 5, 6, hat ABB bereits einige größere Erfolge auf dem Gebiet der Hochspannungs-SiC- Bauelemente erzielt. Weltrekord für Diode aus Siliziumkarbid Die Forschungsarbeiten führten u. a. zur Entwicklung einer SiC-Diode, die mit einer Durchbruchspannung von 4,5 kv einen 0 J 7 neuen Weltrekord erzielt hat 7. Das ist eine Verbesserung des früheren Rekordergebnisses auf mehr als das Doppelte. Einen wichtigen Anteil an diesem Ergebnis hat die Qualität des Epitaxialmaterials. Das von der Universität Linköping entwickelte Verfahren führte zu Schichten, die mit einer Dicke bis zu 90 µm und einer Reinheit unterhalb von /cm 3 Restdotierung alle bisher bekannten Ergebnisse übertreffen. Wie schon erwähnt, sind Dicke und Reinheit des Materials Schlüsselfaktoren bei der Produktion von Hochspannungs-Hochleistungs-Bauelementen. Bis vor kurzem war man in Fachkreisen der Meinung, die Lebensdauer der Minoritätsträger sei auf unter 100 ns begrenzt. Die erwähnte 4,5-kV-Diode hat eine Ladungsträger-Lebensdauer von rund 0,5 µs; bei einigen Exemplaren wurden sogar höhere Werte beobachtet. Obwohl bereits wichtige Fortschritte erzielt worden sind, erfordert die kommerzielle Herstellung von SiC-Halbleitern noch weitere Forschung und Entwicklung. Beispielsweise müßten die mit der Passivierung der Oberflächen verbundenen Probleme näher studiert und die Qualität der MOS-Schnittflächen verbessert werden, denn beides sind kritische Faktoren für Leistungs-MOSFETs. Adresse des Autors Dr. Karl Bergman ABB Forschungszentrum S Västerås/Schweden Telefax: +46 (0) ABB Technik 1/1996