Silicium som halvleder:Siliciumcarbid ville være meget mere effektivt

Inden for kraftelektronik, halvledere er baseret på grundstoffet silicium - men energieffektiviteten af ​​siliciumcarbid ville være meget højere. Fysikere fra universitetet i Basel, Paul Scherrer Institute og ABB forklarer, hvad der forhindrer brugen af ​​denne kombination af silicium og kulstof i det videnskabelige tidsskrift Anvendt fysik bogstaver .

Energiforbruget vokser over hele kloden, og bæredygtige energiforsyninger som vind- og solenergi bliver stadig vigtigere. Elektrisk strøm, imidlertid, genereres ofte i lang afstand fra forbrugeren. Effektive distributions- og transportsystemer er således lige så afgørende som transformerstationer og effektomformere, der omdanner den genererede jævnstrøm til vekselstrøm.

Store besparelser er mulige

Moderne effektelektronik skal kunne håndtere store strømme og høje spændinger. Strømtransistorer lavet af halvledermaterialer til felteffekttransistorer er nu hovedsageligt baseret på siliciumteknologi. Væsentlige fysiske og kemiske fordele, imidlertid, opstå fra brugen af ​​SiC over silicium:ud over en meget højere varmebestandighed, dette materiale giver væsentligt bedre energieffektivitet, hvilket kan føre til store besparelser.

Det er kendt, at disse fordele er væsentligt kompromitteret af defekter ved grænsefladen mellem siliciumcarbid og isoleringsmaterialet siliciumdioxid. Denne skade er baseret på bittesmå, uregelmæssige klynger af kulstofringe bundet i krystalgitteret, som eksperimentelt demonstreret af forskere ledet af professor Thomas Jung ved Swiss Nanoscience Institute og Department of Physics fra University of Basel og Paul Scherrer Institute. Ved hjælp af atomkraftmikroskopanalyse og Raman-spektroskopi, de viste, at defekterne genereres i nærheden af ​​grænsefladen ved oxidationsprocessen.

Eksperimentelt bekræftet

De forstyrrende kulstofklynger, som kun er nogle få nanometer store, dannes under oxidationsprocessen af ​​siliciumcarbid til siliciumdioxid under høje temperaturer. "Hvis vi ændrer visse parametre under oxidation, vi kan påvirke forekomsten af ​​defekterne, " siger ph.d.-studerende Dipanwita Dutta. F.eks. en dinitrogenoxidatmosfære i opvarmningsprocessen fører til væsentligt færre kulstofklynger.

De eksperimentelle resultater blev bekræftet af holdet ledet af professor Stefan Gödecker ved Institut for Fysik og Swiss Nanoscience Institute fra University of Basel. Computersimuleringer bekræftede de strukturelle og kemiske ændringer induceret af grafitiske carbonatomer som observeret eksperimentelt. Ud over eksperimenter, atomistisk indsigt er opnået i genereringen af ​​defekterne og deres indvirkning på elektronstrømmen i halvledermaterialet.

Bedre brug af elektricitet

"Vores undersøgelser giver vigtig indsigt til at drive den videre udvikling af felteffekttransistorer baseret på siliciumcarbid. Derfor forventer vi at yde et væsentligt bidrag til den mere effektive brug af elektrisk strøm, " kommenterer Jung. Arbejdet blev igangsat som en del af Nano Argovia-programmet for anvendte forskningsprojekter.