Hochtemperaturelektronik Neuer SiC-JFET arbeitet bei Temperaturen bis 600 °C

Ein neu entwickelter SiC-Transistor der Universität Kyoto arbeitet noch bei 600 °C. Seine Bottom-Gate- und Double-Well-Struktur soll zwei zentrale Probleme ionenimplantierter JFETs lösen: Abweichungen der Schwellenspannung und steigende Leckströme durch das Substrat.

Elektronik stößt in extrem heißen Umgebungen schnell an ihre Grenzen. Konventionelle Siliziumschaltungen lassen sich bei Temperaturen oberhalb von etwa 250 °C kaum noch zuverlässig betreiben. Sensoren und Auswerteelektronik müssen deshalb häufig in größerer Entfernung von der eigentlichen Messstelle untergebracht, aktiv gekühlt oder durch aufwendige thermische Barrieren geschützt werden. Das betrifft unter anderem Gasturbinen, Strahltriebwerke, geothermische Bohrungen und Raumfahrtmissionen zu heißen Planeten.

Ein Forschungsteam der Universität Kyoto hat nun einen Siliziumkarbid-Transistor entwickelt, der noch bei 600 °C arbeitet. Bei dem Bauelement handelt es sich um einen ionenimplantierten Junction Field-Effect Transistor, kurz JFET. Die Kombination aus einer Bottom-Gate-Struktur und einer elektrischen Isolation durch pn-Übergänge soll einen kontrollierten Betrieb bei Temperaturen ermöglichen, bei denen übliche Halbleiterschaltungen längst ausfallen.

Das Problem von Silizium bei hohen Temperaturen

Steigt die Temperatur eines Halbleiters, nimmt die Zahl der thermisch erzeugten Ladungsträger zu. Bei Silizium führt das zu wachsenden Sperrströmen und einer Verschlechterung der elektrischen Isolation. Gleichzeitig verändern sich wichtige Bauelementparameter, darunter Schwellenspannung, Ladungsträgerbeweglichkeit und Durchlasswiderstand. Ab einem gewissen Punkt lassen sich die Schaltzustände nicht mehr zuverlässig voneinander unterscheiden.

Siliziumkarbid besitzt gegenüber Silizium eine deutlich größere Bandlücke. Bei der für Leistungshalbleiter verbreiteten Modifikation 4H-SiC liegt sie bei rund 3,26 eV, während Silizium etwa 1,12 eV erreicht. Dadurch entstehen bei hohen Temperaturen wesentlich weniger intrinsische Ladungsträger. Hinzu kommen eine hohe kritische elektrische Feldstärke und eine gute Wärmeleitfähigkeit. Diese Eigenschaften haben SiC bereits in Leistungshalbleitern für Elektrofahrzeuge, Photovoltaik-Wechselrichter und industrielle Stromversorgungen etabliert.

Hochtemperaturlogik ist dennoch eine andere Aufgabenstellung als ein SiC-Leistungsschalter. Für integrierte Schaltungen müssen viele Transistoren mit reproduzierbaren Kennwerten gefertigt und voneinander isoliert werden. Kleine Abweichungen der Schwellenspannung können sich über eine gesamte Schaltung hinweg summieren. Gleichzeitig dürfen bei hohen Temperaturen keine unkontrollierten Strompfade zwischen benachbarten Bauelementen entstehen.

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Ionenimplantation verändert das Dotierungsprofil

Die Forscher um Mitsuaki Kaneko, Shunya Shibata und Tsunenobu Kimoto setzen bei der Herstellung des JFETs auf Ionenimplantation. Dabei werden beschleunigte Dotieratome in das SiC eingebracht, um gezielt n- oder p-dotierte Bereiche zu erzeugen. Das Verfahren ist in der Halbleiterfertigung etabliert und ermöglicht eine räumlich definierte Dotierung.

In kristallinen Materialien kann jedoch ein sogenannter Channeling-Effekt auftreten. Treffen die implantierten Ionen entlang bestimmter Kristallrichtungen auf das Material, können sie zwischen den Atomreihen tiefer eindringen als vorgesehen. Statt eines scharf begrenzten Dotierungsprofils entsteht ein Ausläufer in größere Tiefen. Bei einem konventionellen Top-Gate-JFET beeinflusst dieser Anteil die wirksame Kanalgeometrie und damit die Schwellenspannung.

Die Folge ist eine Differenz zwischen dem beim Entwurf erwarteten und dem am gefertigten Bauelement gemessenen Wert. Bei der konventionellen Struktur lag diese Abweichung laut den veröffentlichten Angaben bei mehr als 2 V. Für einzelne Versuchsbauelemente mag eine solche Verschiebung noch kompensierbar sein. Beim Aufbau komplexerer integrierter Schaltungen erschwert sie jedoch die zuverlässige Dimensionierung erheblich.

Das Gate wandert unter den Kanal

Die neue Bottom-Gate-Struktur kehrt die räumliche Anordnung von Kanal und Gate um. Das Gate befindet sich unterhalb des Kanals. Damit wird der tiefer reichende Anteil des implantierten Dotierungsprofils nicht mehr nur als unerwünschte Prozessabweichung behandelt, sondern bei der Struktur des Bauelements berücksichtigt.

Auf diese Weise gelang es den Forschern, die gemessene Schwellenspannung wesentlich näher an den berechneten Wert zu bringen. Bei 400 °C betrug die Abweichung weniger als 0,1 V. Diese Übereinstimmung ist für den späteren Schaltungsentwurf mindestens ebenso wichtig wie die maximale Betriebstemperatur. Erst wenn sich die elektrischen Eigenschaften der Transistoren ausreichend genau vorhersagen und reproduzieren lassen, können daraus größere Logikschaltungen entstehen.

pn-Übergänge begrenzen den Leckstrom

Die zweite Herausforderung betrifft die Isolation der einzelnen Transistoren. Bisherige Strukturen können hierfür ein semiisolierendes SiC-Substrat nutzen. Mit zunehmender Temperatur verliert das Material jedoch einen Teil seiner isolierenden Wirkung. Es entstehen Leckströme durch das Substrat, die den Stromverbrauch erhöhen und die Trennung benachbarter Bauelemente beeinträchtigen.

Die Forscher integrierten deshalb eine Double-Well-Struktur. Das Bauelement befindet sich dabei in ineinander angeordneten dotierten Bereichen und wird durch gesperrte pn-Übergänge elektrisch von seiner Umgebung isoliert. Die Isolation hängt damit weniger von den bei hoher Temperatur nachlassenden Eigenschaften des Substrats ab.

Nach Angaben der Arbeitsgruppe liegt der verbleibende Leckstrom nahe an der Grenze, die sich aus den intrinsischen Materialeigenschaften von SiC ergibt. Das würde bedeuten, dass sich der Leckstrom durch weitere Optimierungen der eigentlichen Transistorstruktur nur noch begrenzt verringern lässt. Für die Entwicklung integrierter Schaltungen schafft die pn-Isolation dennoch eine wichtige Voraussetzung: Die einzelnen Bauelemente können auch bei sehr hohen Temperaturen elektrisch voneinander getrennt bleiben.

600 °C bedeutet nicht 600 °C

Mit der Kombination aus Bottom Gate und Double Well demonstrierte das Team den Transistorbetrieb im Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 600 °C. Damit übertrifft die maximale Versuchstemperatur sogar die rund 460 °C, die an der Oberfläche der Venus herrschen.

Das bedeutet jedoch nicht, dass bereits ein vollständiger, anwendungsfertiger 600-°C-Chip vorliegt. Untersucht wurde zunächst ein Transistor mit der neuen Struktur. Für eine integrierte Schaltung werden zusätzlich mehrere aktive und passive Bauelemente, geeignete Leiterbahnen, Kontakte und Isolationsstrukturen benötigt. Alle Komponenten müssen nicht nur kurzfristig funktionieren, sondern ihre Kennwerte auch über lange Betriebszeiten und zahlreiche Temperaturzyklen beibehalten.

Hinzu kommt die Aufbau- und Verbindungstechnik. Herkömmliche Lote, Gehäusekunststoffe, Bonddrähte und Leiterplattenmaterialien sind für einen dauerhaften Betrieb bei 600 °C ungeeignet. Selbst wenn der Halbleiterchip die Temperatur verträgt, müssen elektrische Kontakte, Metallisierung und Gehäuse den thermischen und mechanischen Belastungen standhalten. Die zulässige Temperatur des Transistors ist deshalb nur ein Teil eines hochtemperaturfähigen Gesamtsystems.

Noch arbeitet der JFET selbstleitend

Eine weitere Einschränkung liegt im Schaltverhalten des demonstrierten JFETs. Das Bauelement ist selbstleitend, also normally-on. Ohne angelegte Gatespannung bildet sich ein leitender Kanal. Zum Abschalten muss das Gate entsprechend angesteuert werden.

Die Gruppe um Tsunenobu Kimoto hat bereits komplementäre SiC-JFET-Logikgatter für den Betrieb bei 350 °C demonstriert. Im nächsten Schritt soll die neue Struktur deshalb auf normally-off-Bauelemente übertragen werden. Erst daraus könnten komplementäre Schaltungen entstehen, die die geringe statische Leistungsaufnahme moderner CMOS-Logik zumindest funktional auf SiC-Hochtemperaturelektronik übertragen.

Höhere Temperatur als bisherige SiC-Schaltungen

Auch die historische Einordnung ist wichtig. Das NASA Glenn Research Center hat bereits SiC-JFET-Schaltungen mit mehr als 175 Transistoren über ein Jahr lang bei 500 °C in Luft betrieben. Andere Versuche umfassten einen 60-tägigen Betrieb unter simulierten Venusbedingungen bei 460 °C und einem Druck von 9,3 MPa. Dabei kamen ungekühlte und nicht druckgekapselte Schaltungen zum Einsatz.

Der Fortschritt aus Kyoto besteht deshalb nicht darin, erstmals überhaupt SiC-Elektronik für extreme Temperaturen vorgestellt zu haben. Die NASA-Schaltungen waren zudem bereits wesentlich komplexer als der nun untersuchte Einzeltransistor. Das Kyoto-Team erreichte jedoch eine höhere Bauelementtemperatur und verwendete eine Struktur, die sich über Ionenimplantation herstellen lässt.

Der Weg zum 600-°C-IC bleibt lang

Der neue SiC-JFET löst zwei grundlegende Bauelementprobleme gleichzeitig. Die Bottom-Gate-Struktur reduziert den Einfluss des implantationsbedingten Channelings auf die Schwellenspannung, während die Double-Well-Struktur Leckströme durch das bei hoher Temperatur leitfähiger werdende Substrat begrenzt. Damit verbessert der Ansatz sowohl die Entwurfsgenauigkeit als auch die elektrische Isolation.

Ob daraus tatsächlich praktisch einsetzbare integrierte Schaltungen für 600 °C entstehen, hängt nun von weiteren Entwicklungsschritten ab. Dazu gehören normally-off-Transistoren, komplementäre Logik, größere Schaltungen und Langzeitversuche unter realistischen Umgebungsbedingungen. Ebenso entscheidend sind hochtemperaturfeste Kontakte und Gehäuse. (mr)

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