Nano-Argovia-Projekte – Einfluss kosmischer Strahlung auf Leistungshalbleiter

Im Nano-Argovia-Projekt CRONOS untersucht ein interdisziplinäres Wissenschaftler-Team die Auswirkung kosmischer Strahlung auf bestimmte Schichten in Leistungshalbleitern. Die Forschenden wollen besser verstehen, welche physikalischen Vorgänge zu Ausfällen führen können und darauf basierend robustere Leistungshalbleiter entwickeln.

Der mit Halbleiterchips bestückte Probenhalter für die geplanten Bestrahlungsexperimente wurde im Nano-Argovia-Projekt CRONOS entwickelt. (Bild: FHNW Windisch)

Für hohe Ströme und Spannungen geeignet
Fossile Brennstoffe sind out. Stattdessen werden immer mehr Anwendungen elektrifiziert und durch erneuerbare Energiequellen versorgt. Dazu sind Halbleiterbauelemente notwendig, die für hohe elektrische Ströme und Spannungen ausgelegt sind.

Die Funktionalität dieser modernen Leistungshalbleiter hängt entscheidend von der Zuverlässigkeit und Integrität der sogenannten Gate-Oxidschicht ab – einer Schicht zwischen der Gate-Elektrode und dem Halbleitersubstrat. Diese meist nur 50-100 Nanometer dicke Schicht muss elektrische Leckströme verhindern. Bei Ausseneinsätzen, beispielsweise in Elektrofahrzeugen oder bei Solar- und Windkraftanlagen, sind die Gate-Oxidschichten über einen Zeitraum von vielen Jahren grossen Temperaturschwankungen, Feuchtigkeit und auch kosmischer Strahlung ausgesetzt. Trotz rauer Umweltbedingungen dürfen sie ihre Eigenschaften nicht verändern und müssen ohne Ausfälle über einen langen Zeitraum zuverlässig funktionieren.

Belastungstest unter Strahlung
In dem Nano-Argovia-Projekt CRONOS untersuchen nun Forschende der Hochschule für Technik (FHNW Windisch), des Technologietransferzentrums ANAXAM und des Industriepartners SwissSEM Technologies AG (Lenzburg) wie zuverlässig diese nanoskaligen Gate-Oxidschichten unter kontrollierter Einwirkung kosmischer Strahlung arbeiten. Die Forschenden simulieren dazu die kosmische Strahlung, indem sie die Leistungshalbleiter mit Protonen und Neutronen bestrahlen und gleichzeitig eine elektrische Spannung anlegen.

Das Team, das von Professor Dr. Renato Minamisawa und Professor Dr. Nicola Schulz (beide FHNW) geleitet wird, führt dann elektrische und thermische Belastungstest der Gate-Oxidschichten durch.

Die untersuchten Leistungshalbleiter stellt der Industriepartner SwissSEM Technologies zur Verfügung. Es handelt sich dabei um einen von SwissSEM entwickelten IGBT-Transistor (Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode), der für viele Hochleistungsanwendungen, bei denen elektrische Energie umgewandelt werden muss verwendet werden kann (beispielsweise bei Elektrofahrzeugen).
Durch die genaue Studie der Leistungshalbleiter erhoffen sich die Forschende ein besseres Verständnis der physikalischen Prozesse, die zu Ausfällen von Bauelementen führen, wenn kosmische Strahlung in die Gate-Oxidschichten eindringt. Dieses Verständnis wollen sie dann für die Entwicklung von robusteren Leistungshalbleitern nutzen.

«Für uns ist das Nano-Argovia-Projekt CRONOS eine ideale Gelegenheit mit Fachleuten auf dem Gebiet der Leistungshalbleiter und der Materialanalyse zusammen zu arbeiten und von deren Knowhow zu profitieren.»

Dr. Arnost Kopta, CTO SwissSEM Technologies AG

Weitere Informationen:

Nano-Argovia-Programm
www.nanoargovia.swiss

SwissSEM GmbH
https://www.swiss-sem.com

Hochschule für Technik (FHNW)
https://www.fhnw.ch/de/die-fhnw/hochschulen/ht

ANAXAM
https://www.anaxam.ch/de