De groei van hoogwaardige substraten voor micro-elektronische toepassingen is een van de belangrijkste elementen die de samenleving helpen om naar een duurzamere groene economie te gaan. Vandaag, silicium speelt een centrale rol binnen de halfgeleiderindustrie voor micro-elektronische en nano-elektronische apparaten.

Siliciumwafels van hoge zuiverheid (99,0% of hoger) monokristallijn materiaal kunnen worden verkregen via een combinatie van vloeibare groeimethoden, zoals het trekken van een entkristal uit de smelt en door daaropvolgende epitaxie. De vangst is dat het eerste proces niet kan worden gebruikt voor de groei van siliciumcarbide (SiC), omdat het een smeltfase mist.

In het journaal Technische Natuurkunde Beoordelingen , Giuseppe Fisicaro en een internationaal team van onderzoekers, onder leiding van Antonio La Magna, een theoretische en experimentele studie beschrijven van de atomaire mechanismen die de kinetiek van verlengde defecten in kubisch SiC (3C-SiC) bepalen, die een diamantachtige zinkblende (ZnS) kristalstructuur heeft die zowel stapelings- als anti-fase-instabiliteiten vertoont.

"De ontwikkeling van een technologisch raamwerk voor de beheersing van kristallijne imperfecties binnen SiC voor brede bandgap-toepassingen kan een baanbrekende strategie zijn, ' zei Fisicaro.

De studie van de onderzoekers lokaliseert de atomistische mechanismen die verantwoordelijk zijn voor de uitgebreide generatie en evolutie van defecten.

"Anti-fasegrenzen - vlakke kristallografische defecten die de contactgrens vertegenwoordigen tussen twee kristalgebieden met geschakelde bindingen (C-Si in plaats van Si-C) - zijn een kritieke bron van andere uitgebreide defecten in een overvloed aan configuraties, " hij zei.

Uiteindelijke vermindering van deze anti-fasegrenzen "is bijzonder belangrijk om kristallen van goede kwaliteit te verkrijgen die in elektronische apparaten kunnen worden gebruikt en levensvatbare commerciële opbrengsten mogelijk te maken, ' zei Fisicaro.

Dus ontwikkelden ze een innovatieve Monte Carlo-simulatiecode op basis van een superrooster, dat is een ruimtelijk rooster dat zowel het perfecte SiC-kristal als alle kristalimperfecties bevat. Het hielp "licht te werpen op de verschillende mechanismen van defect-defect interacties en hun impact op de elektronische eigenschappen van dit materiaal, " hij zei.

Opkomende halfgeleiderapparaten met brede bandgap, zoals die gebouwd met SiC, zijn belangrijk omdat ze het potentieel hebben om een ​​revolutie teweeg te brengen in de vermogenselektronica-industrie. Ze zijn in staat tot snellere schakelsnelheden, lagere verliezen en hogere blokkeerspanningen, die superieur zijn aan die van standaard op silicium gebaseerde apparaten.

Er zijn ook enorme milieuvoordelen mee gemoeid. "Als 's werelds siliciumvoedingsapparaten die binnen dit bereik worden gebruikt, zouden worden vervangen door 3C-SiC-apparaten, een reductie van 1,2x10^10 kilowatt per jaar zou kunnen worden behaald, ' zei Fisicaro.

"Dit komt overeen met een vermindering van 6 miljoen ton CO2-uitstoot, " hij zei.

De onderzoekers concludeerden dat de lage kosten van de 3C-SiC hetero-epitaxiale benadering en de schaalbaarheid van dit proces tot 300 millimeter wafers en meer, deze technologie uiterst competitief maken voor motoraandrijvingen van elektrische of hybride voertuigen. airconditioning systemen, koelkasten, en light-emitting diode verlichtingssystemen.