Defekte in 4H-SiC

Defekte in 4H-SiC untersucht durch Oberflächenphotospannungsspektroskopie - Leistungshalbleiter

Hochleistungs- und Hochspannungs-Halbleiterbauelemente aus Siliziumkarbid (SiC) sind nicht nur wegweisend für ultraschnelle Ladegeräte und Bordladegeräte für Elektrofahrzeuge (EV), sondern auch für Antriebsstränge und Stromrichter in Traktionsanwendungen wie Stadtbahnen, Straßenbahnen und U-Bahnen. Traktionsanwendungen sowie industrielle Motorantriebe erfordern Leistungshalbleiterschalter mit Sperrspannungen von 1200 V, 1700 V, 3300 V oder sogar 4500 V (6500 V werden noch erforscht).

Zuverlässigkeit, Lebensdauer und Sicherheit der Hochleistungs- und Hochspannungshalbleiterbauelemente sind derzeit die wichtigsten zu kontrollierenden Parameter, wobei die im Handel erhältlichen 150-mm-SiC-Wafer nach wie vor unter einigen grundlegenden Qualitätsproblemen leiden, die mit Defekten in der Bandlücke des SiC-Halbleiters zusammenhängen. Diese Probleme werden auch bei 200-mm-SiC-Wafern bestehen bleiben, weshalb es von größter Bedeutung ist, den Zustand der Defekte vor, während und nach der Bauelementfertigung messen und dokumentieren zu können.

Das SPVcheck-Tool, ausgestattet mit drei UV-Lichtquellen mit Mittenwellenlängen von 355 nm, 365 nm und 450/660 nm, ist die ideale Plattform für die Charakterisierung von epitaktischen SiC-Wafern, da es zur Überprüfung der fundamentalen Bandlückenkante auf sehr elegante und schnelle Weise eingesetzt werden kann. Die Wellenlänge von 450 nm oder 660 nm wird als Basisreferenzmessung verwendet, da die Energie zu gering ist, um Ladungsträger im SiC-Material anzuregen. Die UV-Lichtquellen mit 355 nm und 365 nm werden gleichzeitig auf den epitaktischen SiC-Wafer gerichtet, wodurch ein breiter, quadratischer Impuls entsteht, der Energien im Bereich von 3,25 bis 3,55 eV in einem einzigen Messdurchlauf abdeckt.

Das transiente SPV wird im Zeitbereich von 10 ns bis zu 10 ms gemessen. Wenn die Epitaxieschicht auf dem SiC-Wafer zu viele Defekte aufweist, wird die Anregung der Ladungsträger abgeschwächt und die Signaländerung über die Zeit ist geringer. Eine perfekte Epitaxieschicht hingegen weist ein höheres Ausgangssignal und, was noch wichtiger ist, scharfe Energieübergangspitzen im ms-Bereich auf.

Ein weiterer Vorteil des quadratisch abfallenden Energieimpulses ist die Tatsache, dass der Absorptionskoeffizient von SiC linear mit dem Quadrat der Energie ansteigt und stark temperaturabhängig ist. Durch Hinzufügen eines Temperaturaufbaus lässt sich daher die Eindringtiefe des UV-Lichts über einen großen Bereich variieren. Selbstverständlich müssen die 355-nm- und die 365-nm-Lichtquellen nicht gleichzeitig eingeschaltet werden – sie können in einem modulierten Muster mit einer Schaltfrequenz von bis zu 1 kHz oder mit sehr langen Ein- und Ausschaltzyklen geschaltet werden.