Höchstdotierte Siliziumkristalle für sparsamere Netzteile und effizientere Motorsteuerungen

Bei der Erzeugung, Übertragung und Wandlung elektrischer Leistungen dominiert die auf dem Halbleitermaterial Silizium basierende Leistungselektronik. Speziell für Anwendungen bei niederer bis mittlerer Leistung und mittleren bis höheren Frequenzen, beispielsweise in Schaltnetzteilen, Robotern, Autoelektronik oder zur Ansteuerung von Motoren, kommen so genannte PowerMOS-Bauelemente zum Einsatz.

Um die Widerstandsverluste von vertikalen leistungselektronischen Bauelementstrukturen in Durchlassrichtung zu minimieren, werden insbesondere n-Typ-Siliziumkristalle mit einem sehr geringen elektrischen Widerstand von 5,0 mΩcm bis hin zu 1,0 mΩcm benötigt. Die Siliziumkristalle werden nach dem Czochralski-Verfahren durch Ziehen aus der Siliziumschmelze hergestellt. Den niedrigen elektrischen Widerstand im einkristallinen n-Typ-Silizium erreicht man dabei durch eine gezielte Zugabe von Arsen oder Phosphor als Dotierstoff. Die hohen Mengen an benötigtem Dotierstoff können jedoch beim Herstellungsprozess kristallwachstumsinduzierte Störungen verursachen, wie beispielsweise Versetzungen im Kristall. Die Kristallfehler führen zum Verlust der einkristallinen Struktur des Siliziums und vermindern die Kristallausbeute, wodurch im Endeffekt der erzielbare Widerstandsbereich begrenzt wird. Für die beobachteten Störungen existieren zwar verschiedene Erklärungsansätze, jedoch sind weder die genauen Ursachen bekannt, noch gibt es etablierte, verfahrenstechnische Lösungsansätze für die Herstellung größerer Kristalldurchmesser.

An diesem Punkt setzen die Experten des Fraunhofer THM und der Siltronic AG an. Sie untersuchen systematisch die Grundlagen der kristallwachstumsinduzierten Störungen beim Ziehen von hochdotieren Siliziumkristallen und bestimmen die prozesstechnisch relevanten Parameter. Nur auf Basis einer soliden wissenschaftlichen Kenntnis der Grenzen des einkristallinen Wachstums von hochdotiertem Silizium können entsprechende kristallzüchterische Maßnahmen entwickelt und erprobt werden, um das untere Widerstandslimit bei großen Kristalldurchmessern abzusenken und die Kristallausbeute zu steigern.

Eine weitere Schwierigkeit, die die Forscher überwinden müssen, ist die Suche nach geeigneten Analysemethoden für die hochdotierten Materialien. Während bei niedrigen Dotierungen seit Jahrzehnten verschiedenste Messverfahren etabliert sind, um die unterschiedlichen physikalisch-chemischen Eigenschaften des Siliziums umfassend zu bestimmen, funktionieren diese aufgrund physikalischer Gründe meist nicht bei höchstdotiertem Material, so Dr. Jochen Friedrich, Sprecher des Fraunhofer THM und Leiter der Abteilung Kristallzüchtung am Fraunhofer IISB in Erlangen, einem der Mutterinstitute des THM. Deshalb werden auch neue Messverfahren ausgetestet und genau untersucht, ob sich damit die relevanten Eigenschaften von hochdotiertem Material bestimmen lassen.

Zwei Jahre haben die Forscher von Fraunhofer THM und Siltronic jetzt Zeit, um wissenschaftlich-technische Lösungen zu erarbeiten, damit die Herstellung von Siliziumkristallen mit sehr geringen elektrischen Widerständen für PowerMOS-Anwendungen wirtschaftlicher wird. Nicht zuletzt dadurch wird die Position des Industrie- und Forschungsstandorts Freiberg als Zentrum der deutschen Halbleitermaterialerstellung weiter gestärkt.

Das Fraunhofer-Technologiezentrum Halbleitermaterialien Freiberg THM betreibt Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet der Halbleitermaterialien für die Photovoltaik und die Mikroelektronik. Das THM ist eine gemeinsame Einrichtung des Fraunhofer-Instituts für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB in Erlangen und des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg. Es besteht eine enge Kooperation mit der Technischen Universität Bergakademie Freiberg auf dem Gebiet der Halbleiterherstellung und -charakterisierung. Ein Hauptziel ist die Unterstützung der regionalen Halbleitermaterialindustrie durch den Transfer wissenschaftlicher Erkenntnisse in die industrielle Verwertung. www.thm.fraunhofer.de

Siltronic ist einer der Weltmarktführer für Wafer aus Reinstsilizium und Partner vieler führender Chiphersteller. Die Halbleitertochter der Wacker Chemie AG entwickelt und produziert Wafer mit Durchmessern bis zu 300 Millimetern an Standorten in Europa, Asien und USA. Siliziumwafer sind die Grundlage der modernen Mikro- und Nanoelektronik. Elektronische Bauelemente aus Silizium kommen zum Beispiel in Computern, Smartphones, Flachdisplays, Navigationssystemen, Motorsteuerungen und vielen anderen Anwendungen zum Einsatz.

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