Thermoreflectance Mikroskop (TRM)

• Fachliche Zuordnung: Elektrotechnik und Informationstechnik
• Förderung: Förderung in 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 525779412

Um die physikalischen Vorgänge in Halbleiter-Leistungsbauelementen, vor allem in Grenzlastsituationen (Kurzschluss, Überstrom), besser zu verstehen, ist es notwendig, die Chiptemperatur mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung zu messen. Dabei muss die Messung möglichst nicht-invasiv stattfinden, um keine künstlichen Inhomogenitäten einzufügen. Die beantragte Thermo-Reflectance Mikroskopie kann im Gegensatz zu infrarotbasierten Verfahren diese Anforderungen erfüllen und ohne vorhergehende Präparierung die Temperatur auf der Vorderseitenmetallisierung der Chips messen. Stromfilamente mit hohen Stromdichten in bipolaren Bauelementen wie IGBTs, die beim Abschalten oder im Kurzschluss auftreten, können mit dieser Methode sichtbar gemacht werden, da die Filamente zu thermischen „Fußabdrücken“ auf dem Chip führen. Bisher sind diese nur in Halbleitersimulatoren sichtbar, da die Filamente sehr kleine räumliche Ausdehnung im Mikrometerbereich haben und nur für wenige 10 bis 100 Nanosekunden an einer Stelle verweilen und wieder verlöschen können. Erstmals können diese Phänomene in realen Strukturen beobachtet und mögliche Schwachstellen auf dem Chip lokalisiert werden, was in Probemessungen an IGBTs im Kurzschluss bereits verifiziert werden konnte. Dies wird zur weiteren Optimierung und Robustheitsverbesserung der Leistungshalbleiter beitragen. Geometrische Schwachstellen, die zur Stromeinschnürung führen, können im Design vermieden werden. Das physikalische Verständnis der Filamentbewegung kann erstmals an realen Chips analysiert werden. Neben Stromeinschnürungen bipolarer Bauelemente können auch unipolare Bauelemente wie GaN HEMTs oder SiC MOSFETs untersucht werden. Bei SiC MOSFETs soll nach dem Wachstum von Stapelfehlern die thermische Auswirkung nicht-invasiv mit kurzen Pulsen untersucht werden. Bisher sind aufwendige Präparationen für Elektrolumineszens- oder Photolumineszens-Messungen nötig. Temperaturinhomogenitäten auf SiC-Chips in Kurzschluss- oder Avalanche-Zuständen, die an Defekten oder Übergängen zu Randgebieten entstehen können, sollen untersucht werden. Hierfür wird das Thermo-Reflectance Mikroskop mit den dynamischen Testständen in unseren Laboren synchronisiert. Es können auch mehrere Messungen überlagert werden, um das Messsignal zu verbessern. GaN-Bauteile sollen direkt vermessen werden, um Trapping-Effekte in Gate-Bereichen zu untersuchen. Bisher werden dazu elektrische Messungen des dynamischen RDSON an unseren Testständen durchgeführt. Bei speziellen Lastwechseltests, die mit sehr kurzen Einschaltzeiten oder dem Heizen über Schaltverluste betrieben werden, gibt uns die Messung der Temperaturverteilung um die Bondfüße während der kurzen Aufheizphasen ein verbessertes Bild über mögliche Inhomogenitäten. Bisher kann das nur über das finale Fehlerbild und thermo-mechanische Simulationen vermutet werden. Im Bereich klassischer Fehleranalysen erwarten wir eine deutliche Verbesserung bei der Lokalisierung kleinster Leckströme.

• DFG-Verfahren: Forschungsgroßgeräte
• Großgeräte: Thermoreflectance Mikroskop (TRM)
• Gerätegruppe: 8620 Strahlungsthermometer, Pyrometer, Thermosonden
• Antragstellende Institution: Technische Universität Chemnitz
• Leiter: Professor Dr.-Ing. Thomas Basler