Im Projekt "iRel 4.0" soll die Zuverlässigkeit elektronischer Bauelemente und Systeme verbessert werden. So wurde eine neue Methode zur Charakterisierung von nanometergroßen Defekten in GaN-Halbleitern entwickelt.
Transmissionselektronenmikroskopische Aufnahme eines nanometergroßen Defektes am Schottky Interface eines HEMT Gate-Kontaktes.
Fraunhofer IMWS
Im EU-geförderten Projekt "iRel 4.0" (Intelligent Reliability 4.0) forschen 79 Partner aus 14 Ländern an der Verbesserung der Zuverlässigkeit elektronischer Bauteile wie Halbleitern. Gallium-Nitrid (GaN) High-Electron-Mobility Transistoren (HEMTs) weisen neben einigen Vorteilen wie große Bandlücke, hohe Durchschlagsspannung und hohe Elektronengeschwindigkeit einen Nachteil auf: die Lebensdauer von GaN-Halbleiter kann durch lokale Schädigung der HEMT-Struktur, die zu fortschreitenden Leistungsverlusten führt, eingeschränkt sein. Dabei können Gate-Kurzschlüsse durch Defektbildungen an der Gate-Elektrode entstehen.
Um diese Defekte im Rahmen der Qualitätssicherung aufzuzeigen, hat das Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen (IMWS) einen neuen Lösungsansatz entwickelt. Dabei wird durch die Kombination unterschiedlicher Methoden zur Probenpräparation der lokalisierte Defektbereich mittels Transmissionselektronenmikroskopie abgesucht. Dabei wird der gesamte Defektbereich zunächst in planarer Ausrichtung nach nanometergroßen Defekten untersucht. Anschließend werden aus dieser Probe zusätzliche Querschnittsproben entnommen, um die Defekte innerhalb der verschiedenen Schichten zu ordnen und mit atomarer Auflösung untersuchen zu können.
Defektbildungen früher erkennen
"Im Rahmen der Zusammenarbeit mit der Firma United Monolithic Semiconductors SAS und der Universität Padua konnten mit dieser Methode erstmalig metallische Einschlüsse mit einer Größe von 20 Nanometern als Ursache für elektrische Kurzschlüsse identifiziert werden. Die Defektbildung konnte mit Hilfe der höchstauflösenden Transmissionselektronenmikroskopie aufgeklärt werden. Dabei zeigte sich, dass die gefundenen Defekte im Zusammenhang mit spezifischen Kristalldefekten in der epitaktisch gewachsenen GaN-Schicht stehen und somit eine prozessbedingte Ursache haben", sagt Frank Altmann, Leiter des Geschäftsfeldes "Werkstoffe und Bauelemente der Elektronik" am Fraunhofer IMWS.