QSense4Power

Projektziele und erwartete Ergebnisse

Siliziumcarbid (SiC) entwickelt sich rasch zu einem bevorzugten Material für Leistungselektronik-Bauteile, um zukunftsweisende Produkte (z.B. für die gesamte Elektromobilität essentielle Schnellladesysteme, Inverter für Photovoltaik-Anlagen etc.) zu realisieren. Die praktische Anwendbarkeit von SiC als Halbleitermaterial wird derzeit, trotz wesentlicher Fortschritte in der Material- und Prozessentwicklung, durch eine Reihe von Herausforderungen bei der Prozessierung begrenzt. Dies umfasst die Kontrolle von Materialdefekten ebenso wir die Qualität von Gateoxiden und passende Aufbau- und Verbindungstechniken für SiC Bauelemente. Diese Herausforderungen limitieren die Leistungsfähigkeit und Ausbeute und behindern dadurch weitere zukunftsweisende Fortschritte in diesem Wachstumsbereich.

Ein davon unabhängiges Charakteristikum von SiC sind langlebige Spin-aktive Punktdefekte, vergleichbar NV-Zentren in Diamanten, die für Quantensensorik bei Raumtemperatur und darüber hinaus genutzt werden können. Passend angeregt und ausgelesen können solche Quanten-aktiven Spin-Zentren mit extrem hoher räumlicher Auflösung (O ~ nm³) und hoher Sensitivität direkt Informationen über lokale Materialeigenschaften und Externe Parameter (z.B. magnetische Feld und die Temperatur, in geringerem Maße auch das elektrische Feld und mechanische Spannungszustände) liefern. Erste Studien untersuchen derzeit die praktische Nutzbarkeit dieser Effekte zur Realisierung von Quantensensoren für z.B. magnetische Felder.

Das Hauptziel von QSense4Power ist die Kombination dieser Eigenschaften umso – erstmalig – Spindefektzentren-basierte Quantensensortechnologien auf reale, funktionale (Leistungs-) Elektronik-Bauelemente anzuwenden, beginnend mit einer kombinierten Schottky PIN Diode. QSense4Power beabsichtigt somit die – zumeist ungewünschte – Präsenz von Defekten aktiv für die Material- und Device- Charakterisierung und -optimierung zu nutzen. Die dadurch ermöglichte räumlich hochaufgelöste 3D-Analyse der Temperaturen direkt im Bauelement während des Betriebs liefert essentielle Daten für das Temperaturmanagement von und in Leistungshalbleitern. Räumlich aufgelöste Magnetfeldmessungen ermöglichen gleichzeitig die Stromdichteverteilungen im Bauelement direkt und quantitativ zu messen, und aus der Detailanalyse der zugrundeliegenden Elektro- und Photoluminiszenz-Effekte können unmittelbare Einblicke in die lokalen Bandstrukturen und (Quasi-)Fermi-Niveaus gewonnen werden.

Leistungsfähigkeit und Charakteristika von Leistungselektronik-Bauteilen hängen stark von Materialqualität und Prozessierung ab. Für die Entwicklung und Nutzbarmachung von SiC, einem im Fokus substantieller F&E-Anstrengungen stehenden, aufkommenden Material, wären direkt integrierbare Diagnosemethoden somit von unschätzbarem Wert. Das angestrebte Resultat von

QSense4Power sind dem entsprechend Quantensensor-basierte Techniken die hochpräzise diagnostische Informationen über jeden Produktionsschritt, sowie während der elektrischen Prüfungen der Bauelemente, liefern. In Kombination mit einer systematischen Studie bezüglich Prozessierungsansätzen und -parametern liefert QSense4Power somit ein essentielles Werkzeug für zielgerichtete, effiziente F&E an SiC-Materialien und -Bauelementen. Längerfristig können derartige Methoden auch für In-line Prozess- und Qualitätskontrolle in der Bauteilfertigung oder für Lebenszyklus- und Alterungsstudien von Relevanz sein.

Projektkonsortium

• Silicon Austria Labs GmbH (Konsortialführer)
• Infineon Technologies Austria AG (Partner)
• T.I.P.S. Messtechnik GmbH (Partner)
• Universität Wien (Partner)