Halbleiterstabilität

Halbleiterstabilität bezeichnet die Beständigkeit von Halbleitermaterialien und -bauelementen gegenüber Veränderungen ihrer Eigenschaften infolge Betriebsbelastung und Umweltbedingungen. Dazu gehört die Erhaltung der elektrischen Parameter wie Leitfähigkeit, Durchlassspannung und Ladungsträgermobilität über Zeit, Temperatur und Strahlung hinweg.

Wichtige Einflussfaktoren sind Temperatur, elektrischer Bias, Lichtbelastung, Feuchtigkeit und mechanische Belastungen. Diffusion von Dotierstoffen, Bildung oder Vernetzung von Defekten, Oxidbildung an Grenzflächen sowie Traps an Grenzflächen können zu Verschiebungen von Schwellen- oder Bandkanten, erhöhten Leckströmen oder Alterung führen.

Typische Mechanismen umfassen Dopatendifusion (z. B. Bor in Silizium) bei hohen Temperaturen, Bias-Temperature Instability (BTI), Hot-Carrier-Injection, Ladungstrapping an Oxiden, Migration von Metallatomen in Kontakten und Elektromigration in Leiterbahnen; daraus resultieren zeitabhängige Verschiebungen von Parametern und schließlich Durchbruchsspannungen.

Materialien und Prüfverfahren: Silizium bleibt der Maßstab, doch breitbandige Halbleiter wie SiC und GaN bieten verbesserte Hochtemperatur- und Spannungsstabilität; organische oder Perowskit-Verbindungen zeigen oft größere Stabilitätsherausforderungen. Prüfungen umfassen beschleunigte Alterungstests, Temperatur- und Feuchte-Bias, Thermal Cycling sowie Messungen von Threshold-Voltage-Veränderungen, Leckströmen und Durchbruchspannungen.

Verbesserungen zielen auf saubere Herstellungsverfahren, passivierende Schichten, optimierte Dotierungsprofile, robuste Metallisierung, Gehäuse- und Umweltschutz sowie Designmargen ab. Anwendungen finden sich in Leistungselektronik, Photovoltaik und Sensorik, insbesondere unter rauen Umweltbedingungen.