Siliziumkarbid-(SiC)-Metalloxid-Halbleiter-(MOS)-Bauelemente sind entscheidend für eine höhere Energieeffizienz in Elektrofahrzeugen (EVs), Hochgeschwindigkeitszügen und fortschrittlichen Industriesystemen. Ein großes Hindernis war jedoch die hohe Defektdichte an der SiC/SiO2-Grenzfläche, die die Elektronenmobilität begrenzt und vor allem die Langzeitzuverlässigkeit der Bauelemente beeinträchtigt.
Üblicherweise wurde die Leistung von SiC-MOS durch das Einbringen von Verunreinigungen wie Stickstoff (Grenzflächen-Nitridierung) verbessert. Zwar steigerte dies die Mobilität, führte jedoch häufig zu einer anschließenden Verschlechterung der gesamten Bauelementzuverlässigkeit, insbesondere unter lang anhaltender Spannungsbelastung – ein erhebliches Problem für sicherheitskritische Anwendungen.
Eine Forschungsgruppe der Osaka University hat diesen grundlegenden Konflikt erfolgreich gelöst. Sie haben ein neuartiges zweistufiges Wärmebehandlungsverfahren entwickelt, das verdünntes Wasserstoffglühen bei ultrahohen Temperaturen (über 1200 Grad Celsius) nutzt.
Die Innovation besteht darin, das Hochtemperatur-Wasserstoffglühen zweimal durchzuführen: einmal vor und einmal nach der Gateoxidabscheidung. Dieses einzigartige Verfahren passiviert oder entfernt Defekte im SiC nahe der Oberfläche sowie an der SiC/SiO2-Grenzfläche wirksam – ähnlich einem Standardverfahren in der Silizium-MOS-Technologie, jedoch an die Herausforderungen von SiC angepasst.
Entscheidend ist, dass die neue Technik ohne den Einsatz heterogener Verunreinigungen wie Stickstoff auskommt und nachweislich sowohl Leistung als auch Zuverlässigkeit deutlich verbessert. Mit diesem Verfahren hergestellte Bauelemente weisen eine um mehr als das Fünffache höhere Elektronenmobilität als herkömmliche unreinheitsfreie Bauelemente auf und zeigen im Vergleich zu konventionellen stickstoffdotierten SiC-MOS-Bauelementen eine deutlich höhere Immunität gegenüber sowohl positiver als auch negativer Bias-Stress-Belastung.
Dieser Durchbruch ebnet den Weg für die nächste Generation von SiC-Leistungsmodulen, die nicht nur effizienter und kompakter sind, sondern auch ein beispielloses Maß an Langzeitzuverlässigkeit bieten. Es wird erwartet, dass die Technologie die Einführung von SiC in Hochleistungsanwendungen erheblich beschleunigt und so einen wichtigen Beitrag zu einer klimaneutralen Gesellschaft leistet.
