Wetenschappers van het Nagoya Institute of Technology (NITech) en samenwerkende universiteiten in Japan hebben nieuw inzicht gekregen in de mechanismen achter de degradatie van een halfgeleidermateriaal dat wordt gebruikt in elektronische apparaten. Door de specifieke wetenschap te benadrukken achter hoe het materiaal degradeert, ze maken plaats voor mogelijke ontdekkingen die de prestatievermindering van het materiaal kunnen voorkomen.

De studie werd gepubliceerd in de Tijdschrift voor Toegepaste Natuurkunde in september 2018. De wetenschappers gebruikten siliciumcarbide (SiC) materiaal voor het experiment. SiC wordt een populairder alternatief voor standaard halfgeleidermaterialen voor elektronische apparaten. Het onderzoek is gebaseerd op een specifiek type SiC-materiaal dat kenmerkend is voor zijn structuur, of 4H-SiC. Dit materiaal werd blootgesteld aan zowel fotoluminescentie als verschillende temperaturen als middel om specifieke soorten vervormingen te creëren die leiden tot de degradatie van op SiC gebaseerde apparaten. De wetenschappers hebben kunnen observeren hoe deze vervormingen daadwerkelijk plaatsvinden op atomair niveau.

"We hebben de snelheid gekwantificeerd waarmee elektrische ladingsdeeltjes bewegen in gebieden van 4H-SiC-materiaal waar de atomaire structuur is defect. Dit zal ontdekkingen inluiden van manieren om degradatie van op SiC gebaseerde apparaten te onderdrukken, zoals elektronische vermogenssystemen, " zegt Dr. Masashi Kato, een universitair hoofddocent aan het Frontier Research Institute for Materials Science in NITech.

Om het eigenlijke mechanisme achter atomaire vervorming die tot degradaties leidt beter te begrijpen, de onderzoekers gebruikten fotoluminescentie om beweging van elektrische ladingsdeeltjes te induceren en maten de snelheden waarmee dat gebeurde. Ze zochten naar specifieke factoren die de beweging van deeltjes kunnen beperken, inclusief het gebruikte materiaal.

Ze testten ook de effecten van stijgende temperatuur, specifiek kijken of hogere temperaturen de vervormingssnelheid zullen verhogen of verlagen.

Volgens Dr. Kato, de aanwezigheid van een bepaald soort atomaire vervorming die ervoor zorgt dat het materiaal degradeert, is met name problematisch voor op SiC gebaseerde stroomapparaten. "Terwijl een bepaald SiC-gebaseerd apparaat in werking is, de atomen van het materiaal vervormen, wat leidt tot degradatie. Het proces waardoor deze atomen vervormen is nog niet duidelijk. Wat is bekend, echter, is dat beweging van elektrische lading in het materiaal en gebieden waar het materiaal defect is geraakt al bijdragen aan de bovengenoemde atomaire vervorming, " stelt hij vast.

Tot dusver zijn soortgelijke experimenten uitgevoerd door andere onderzoekers, de gerapporteerde resultaten zijn niet consistent. Hier, het resultaat van experimenten met fotoluminescentie geeft aan dat de recombinatie van de drager in enkele Shockley-stapelfouten (1SSF's) en bij gedeeltelijke dislocaties (PD's) sneller is dan die in regio's zonder 1SSF's in 4H-SiC. Een dergelijke snelle recombinatie zal de degradatie van het apparaat met 1SSF's veroorzaken. In aanvulling, De expansiesnelheid van 1SSF neemt ook toe met temperatuurstijging.

Als zodanig, ze maken de weg vrij voor onderzoek dat zal draaien om het vertragen van de degradatie van op SiC gebaseerde apparaten. Dit, beurtelings, kan mogelijk resulteren in apparaten van hogere kwaliteit en duurzamer.

Langs die lijnen, de auteurs stellen dat hun toekomstige onderzoeksinspanningen gericht zullen zijn op het vinden van manieren om te voorkomen dat op SiC gebaseerde apparaten verslechteren en op het maken van apparaten die na verloop van tijd niet verslijten.