Ladungsträger-Vorgänge in Leistungshalbleitern Auger-Rekombination in SiC-Halbleitern entschlüsselt

Wissenschaftler des japanischen Nagoya Institute of Technology haben die Einflussfaktoren für die sogenannte Auger-Rekombination aufgedeckt und damit den Weg für die Entwicklung effizienterer bipolarer SiC-Bauelemente geebnet.

Hochspannungs- und Hochleistungsbauelemente auf Basis von Silizumkarbid (SiC) sind ihren Silizium-Alternativen wegen des geringen Durchlasswiderstands und der höheren Durchbruchspannung bereits jetzt überlegen. Die derzeitigen industriellen Standard-SiC-Bauelemente sind jedoch unipolar, d. h., sie leiten Strom nur mit Hilfe von Elektronen.

Bipolare SiC-Hochspannungsbauelemente, bei denen sowohl Elektronen als auch Löcher zur Stromleitung beitragen, haben in der Regel einen geringeren On-Widerstand und gelten daher als Schlüssel zur Entwicklung effizienterer Energiesysteme. Die Effizienz dieser Bauelemente hängt jedoch von der Lebensdauer der Ladungsträger ab, die wiederum von mehreren Elektron-Loch-Rekombinationsprozessen bestimmt wird, nämlich den Shockley-Read-Hall- (SRH), Oberflächen-, Strahlungs- und Auger-Rekombinationsprozessen.

Faktoren für die Auger-Rekombination schwierig bestimmbar

Während sich die Auswirkungen der SRH-, Oberflächen- und Strahlungsprozesse gut vorhersagen und durch Kontrolle der Oberflächenstruktur, Polieren und weniger Rekombinationszentren minimieren lassen, sind die Faktoren, die zur Auger-Rekombination führen, deutlich schwieriger zu bestimmen. Aktuelle Diskussionen zu diesem Thema legen nahe, dass Ladungsträgerkonzentration und Rekombinationsfallen die dominierenden Kräfte bei der Auger-Rekombination sind.

Forscher der Fakultäten Elektrotechnik und Maschinenbau am japanischen Nagoya Institute of Technology (NITech) konnten jetzt die Auswirkungen von Ladungsträgerkonzentration und Rekombinationsfallen auf die Auger-Rekombinationsrate entschlüsseln. Das Team verwendete eine optische Technik namens zeitaufgelöste freie Ladungsträgerabsorption, um die angeregte Ladungsträgerrekombination in 4H-SiC zu messen. Die Studie wurde im Japanese Journal of Applied Physics veröffentlicht.

Alles andere als konstant

"Wir wissen, dass der Auger-Prozess bei geringer Ladungsträgerinjektion von der Donorkonzentration abhängig ist. Dagegen nimmt bei hoher Injektion die Auger-Rekombinationsrate mit steigender Konzentration der angeregten Ladungsträger ab. Obwohl der Auger-Rekombinationskoeffizient von einer Reihe von Forschern in der Literatur experimentell ermittelt wurde, wird er normalerweise als Konstante angegeben", erklärt NITech Associate Professor Masashi Kato, eines der Mitglieder des Forschungsteams.

In dieser Studie beobachtete das Forscherteam die Rekombination angeregter Ladungsträger in 4H-SiC unter der Bedingung hoher Injektion. Dabei entdeckten sie, dass die Auger-Rekombination in erster Linie von der Konzentration der angeregten Ladungsträger abhängt und dass die Rekombinationsfallen vernachlässigbare Auswirkungen haben.

Werkzeugkasten der Wissenschaftler erweitert

Associate Professor Kato sagt zu den Anwendungen der Forschung: "Um bessere Hochleistungsbauelemente zu entwickeln, müssen wir die grundlegenden Materialeigenschaften verstehen und die Bauelementstrukturen optimieren. Mit unserer Methode waren wir in der Lage, die Abhängigkeit der Auger-Rekombination von der Konzentration der angeregten Ladungsträger abzuschätzen. Wir gehen davon aus, dass sich dieser geschätzte Auger-Koeffizient bei der Entwicklung zukünftiger SiC-Bipolar-Bauelemente mit hoher Ladungsträgerkonzentration als äußerst nützlich erweisen wird."

Basierend auf einem besseren Verständnis der Auswirkungen der Ladungsträger- und Fallenkonzentration auf die Rekombination lassen sich bessere Vorhersagen für SiC-Bipolar-Bauelemente machen. Am Nagoya Institute of Technology ist man überzeugt, dass mit dieser Ergänzung des Werkzeugkastens der Wissenschaftler der nächste große Schritt bei SiC-Hochleistungsbauelementen näher gerückt sein dürfte.(cg)

Leistungshalbleiter

Infineon sichert sich SiC-Rohmaterial auch in China

Elektroautos als Treiber

SiC-Leistungshalbleiter: Bosch kauft US-Chipfertiger TSI Semiconductors

Leistungselektronik im Automotive-Bereich

SiC-Chips in der Leiterplatte eingebettet

(ID:49433414)