In vermogenselektronica, halfgeleiders zijn gebaseerd op het element silicium, maar de energie-efficiëntie van siliciumcarbide zou veel hoger zijn. Natuurkundigen van de Universiteit van Basel, het Paul Scherrer Instituut en ABB leggen in het wetenschappelijke tijdschrift uit wat het gebruik van deze combinatie van silicium en koolstof in de weg staat Technische Natuurkunde Brieven .

Het energieverbruik neemt wereldwijd toe, en duurzame energievoorziening zoals wind- en zonne-energie worden steeds belangrijker. Elektrische energie, echter, wordt vaak op grote afstand van de consument gegenereerd. Efficiënte distributie- en transportsystemen zijn dus net zo cruciaal als transformatorstations en stroomomvormers die de opgewekte gelijkstroom omzetten in wisselstroom.

Er zijn enorme besparingen mogelijk

Moderne vermogenselektronica moet grote stromen en hoge spanningen aankunnen. Huidige transistors gemaakt van halfgeleidermaterialen voor veldeffecttransistoren zijn nu voornamelijk gebaseerd op siliciumtechnologie. Aanzienlijke fysieke en chemische voordelen, echter, ontstaan ​​door het gebruik van SiC over silicium:naast een veel hogere hittebestendigheid, dit materiaal zorgt voor een aanzienlijk betere energie-efficiëntie, wat tot enorme besparingen kan leiden.

Het is bekend dat deze voordelen aanzienlijk worden aangetast door defecten aan het grensvlak tussen siliciumcarbide en het isolatiemateriaal siliciumdioxide. Deze schade is gebaseerd op kleine, onregelmatige clusters van koolstofringen gebonden in het kristalrooster, zoals experimenteel aangetoond door onderzoekers onder leiding van professor Thomas Jung van het Zwitserse Nanoscience Institute en het Department of Physics van de Universiteit van Basel en het Paul Scherrer Institute. Met behulp van atoomkrachtmicroscoopanalyse en Raman-spectroscopie, ze toonden aan dat de defecten worden gegenereerd in de buurt van het grensvlak door het oxidatieproces.

Experimenteel bevestigd

De interfererende koolstofclusters, die slechts enkele nanometers groot zijn, worden gevormd tijdens het oxidatieproces van siliciumcarbide tot siliciumdioxide onder hoge temperaturen. "Als we bepaalde parameters tijdens oxidatie veranderen, wij het optreden van de gebreken kunnen beïnvloeden, ", zegt promovendus Dipanwita Dutta. een lachgas-atmosfeer in het verhittingsproces leidt tot beduidend minder koolstofclusters.

De experimentele resultaten werden bevestigd door het team onder leiding van professor Stefan Gödecker van de afdeling Natuurkunde en het Zwitserse Nanoscience Institute van de Universiteit van Basel. Computersimulaties bevestigden de structurele en chemische veranderingen die werden veroorzaakt door grafiet-koolstofatomen, zoals experimenteel waargenomen. Naast experimenten, er is atomistisch inzicht verkregen in het ontstaan ​​van de defecten en hun invloed op de elektronenstroom in het halfgeleidermateriaal.

Beter gebruik van elektriciteit

"Onze studies bieden belangrijk inzicht om de verdere ontwikkeling van veldeffecttransistoren op basis van siliciumcarbide te stimuleren. Daarom verwachten we een significante bijdrage te leveren aan het effectievere gebruik van elektrisch vermogen, " zegt Jung. Het werk is gestart als onderdeel van het Nano Argovia-programma voor toegepaste onderzoeksprojecten.