Im Rahmen des Forschungsprojekts sollte eine neuartige, bildgebende Methode der Qualitätssicherung auf Basis der UV-Photolumineszenz (PL) für die SiC-Bauelementfertigung entwickelt werden.
Bauelemente aus dem Halbleitermaterial Siliziumkarbid (SiC) werden für zukünftige leistungselektronische Systeme eine enorme Rolle spielen – von Stromnetzen über Solarumrichter, Datenzentren, Windturbinen bis hin zu Elektroautos. Allerdings erfüllen bipolare Hochspannungsbauelemente (Sperrspannung > 3kV) aus SiC noch nicht die allerhöchsten Anforderungen an die Zuverlässigkeit für besonders anspruchsvolle Anwendungen, z. B. in Umspannwerken oder bei der Anbindung von Offshore-Windparks. Bisher können vereinzelte unzuverlässige Bauelemente nur durch Tests identifiziert werden, die so aufwendig sind, dass sie sich für die produktionsbegleitende Qualitätssicherung kaum eignen bzw. hohe Zusatzkosten verursachen.
rechts: Photolumineszenz-Aufnahme einer SiC-Halbleiterscheibe mit teilprozessierten Bauelementen. Markiert sind auffällige Strukturen, die zu funktionsunfähigen oder im Betrieb unzuverlässigen Bauelementen führen (Quelle: Fraunhofer IISB / Kurt Fuchs)
Daher sollte eine neuartige, bildgebende Methode der Qualitätssicherung auf Basis der UV-Photolumineszenz (PL) für die SiC-Bauelementfertigung entwickelt werden. Darüber hinaus war zu klären, ob mit der PL-Methode materialbedingte Ausfälle bipolarer SiC-Hochvolt-Bauelemente zuverlässig und schnell vorhergesagt werden können. Dazu mussten vollständige SiC-Leistungsbauelemente (SiC-PiN-Dioden mit Sperrspannung 6,5 kV) hergestellt, in verschiedenen Zwischenstadien der Fertigung mit dem PL-System charakterisiert und anschließend intensiven Belastungstests unterzogen werden.
Bereits im frühestmöglichen Stadium der Bauelementfertigung, nämlich direkt nach der Abscheidung der ersten SiC-Epitaxieschicht auf dem Substrat, konnten mit dem PL-Messgerät potenziell unzuverlässige Bauelemente sicher identifiziert werden. Die neu entwickelte Technologie wird eine unverzichtbare Rolle bei der Qualitätskontrolle in der industriellen Fertigung von bipolaren SiC-Hochvolt-Bauelementen spielen. Damit wird auch die Einführung von kostengünstigen, zuverlässigen und extrem energieeffizienten SiC-Hochvolt-Leistungsbauelementen im Energiemarkt unterstützt. Die Entwicklung des PL-Systems wurde mit dem SEMIKRON Innovation Award 2016 ausgezeichnet.
