Siliciumcarbide (SiC), een veelzijdig en resistent materiaal dat in meerdere kristallijne vormen bestaat, heeft veel aandacht getrokken dankzij zijn unieke elektronische eigenschappen. Vanaf het gebruik in de eerste LED-apparaten, voor zijn toepassingen in hoogspanningsapparatuur met lage vermogensverliezen, SiC vertoont uitzonderlijk halfgeleidergedrag. Tot dusver, de bedrijfsspanningen voor unipolaire SiC-apparaten zijn lager dan 3,3 kV. Hoewel nuttig voor de elektronische systemen van auto's, treinen, en huishoudelijke apparaten, unipolaire SiC-gebaseerde apparaten kunnen niet worden gebruikt in stroomopwekkings- en distributiesystemen, die werken bij spanningen boven 10 kV.

Sommige onderzoekers geloven dat de oplossing voor dit raadsel ligt in bipolaire SiC-apparaten, die een lage aan-weerstand bieden (en dus lagere verliezen) door geleidbaarheidsmodulatie. Echter, het geleidingsmodulatie-effect hangt nauw samen met de levensduur van aangeslagen ladingsdragers in de halfgeleider; langere levensduur van de draaggolf in de dikke spanningsblokkerende laag van SiC-apparaten leidt tot verhoogde modulatie. Anderzijds, te lange levensduur van de carrier verhoogt de schakelverliezen, en deze afweging moet op de juiste manier worden uitgebalanceerd door de verdeling van de levensduur van de drager binnen de halfgeleider nauwkeurig te regelen.

Helaas, de meeste beschikbare technieken voor het meten van de levensduurverdeling van een halfgeleider zijn destructief; het monster moet worden gesneden om de doorsnede ervan te kunnen analyseren. Dit motiveerde een onderzoeksteam uit Japan, onder leiding van universitair hoofddocent Masashi Kato van het Nagoya Institute of Technology, om zich te concentreren op het verbeteren van een van de twee bestaande niet-destructieve methoden:time-resolved free-carrier absorptie met intersectionele lichten (IL-TRFCA). In hun nieuwe studie gepubliceerd in Beoordeling van wetenschappelijke instrumenten , de onderzoekers presenteren een aantal ingrijpende veranderingen die zijn aangebracht in deze techniek (die ze eerder hadden gepionierd) samen met enkele zeer veelbelovende resultaten.

De IL-TRFCA-methode bestaat in wezen uit een excitatielaser, die foto-geëxciteerde dragers creëert en een sondelaser plus een detector, die hun levensduur meten. Door beide lasers op de randen van een objectieflens te richten, ze zijn gemaakt om te convergeren aan het oppervlak van het monster met tegengestelde invalshoeken. Vervolgens, het monster wordt in micrometrische stappen naar de lens bewogen, waardoor de excitatie- en sondelasers elkaar niet aan het oppervlak van het monster kruisen, maar in steeds diepere gebieden. Op deze manier, de wetenschappers slaagden erin om de verdeling van de levensduur van de drager in het monster te meten zonder het te hoeven verkleinen.

Twee substantiële wijzigingen die de onderzoekers aan de IL-TRFCA-methode hebben aangebracht, waren de goedkeuring van een grotere invalshoek van 34° (34 graden) voor beide lasers en een hogere numerieke apertuur in de objectieflens en detector. Deze aanpassingen resulteerden in een verbeterde diepteresolutie en maakten het ook mogelijk om IL-TRFCA in dikkere SiC-lagen te gebruiken. Enthousiast over de resultaten, Dr. Kato merkt op, "Onze niet-destructieve benadering voor het meten van de verdeling van de levensduur van dragers stelt iemand in staat om de niet-uniformiteit van een materiaal te bepalen zonder het monster te vernietigen, die vervolgens kunnen worden gebruikt om apparaten te fabriceren, en onderzoek en ontwikkeling van bipolaire SiC-technologie, zoals hoogspanningsdiodes en transistors."

Het beschikken over geschikte meettechnieken is een van de meest essentiële factoren in materiaalonderzoek, en IL-TRFCA zou gemakkelijk de weg kunnen effenen voor de studie - en uiteindelijk de adoptie - van SiC in ultrahoogspanningstoepassingen. In dit verband, Dr. Kato opmerkingen, "SiC-apparaten kunnen werken met een lager stroomverbruik in vergelijking met conventionele halfgeleiders, en hun commercialisering zou kunnen leiden tot een aanzienlijke vermindering van het energieverbruik in energiesystemen over de hele wereld. Beurtelings, dit zou ernstige milieubedreigingen, zoals de ophoping van broeikasgassen, kunnen verminderen."

Nu de instrumenten zijn opgesteld, het is tijd om dieper in te gaan op hoe de levensduurverdelingen van dragers kunnen worden afgestemd in dik SiC en andere halfgeleiders. Laten we hopen dat dit ons leidt naar efficiëntere apparaten en een milieuvriendelijkere toekomst!