De halfgeleiderindustrie en vrijwel alle elektronica van tegenwoordig worden gedomineerd door silicium. Bij transistoren, computer chips, en zonnecellen, silicium is al tientallen jaren een standaard onderdeel. Maar dit kan allemaal snel veranderen, waarbij galliumnitride (GaN) naar voren komt als een krachtig, zelfs superieur, alternatief. Hoewel niet erg bekend, GaN-halfgeleiders zijn sinds de jaren negentig op de elektronicamarkt en worden vaak gebruikt in vermogenselektronica vanwege hun relatief grotere bandafstand dan silicium - een aspect dat het een betere kandidaat maakt voor toepassingen met hoge spanning en hoge temperaturen. Bovendien, stroom gaat sneller door GaN, wat zorgt voor minder schakelverliezen tijdens schakeltoepassingen.

Niet alles aan GaN is perfect, echter. Hoewel onzuiverheden meestal wenselijk zijn in halfgeleiders, ongewenste onzuiverheden kunnen hun prestaties vaak verslechteren. in GaN, onzuiverheden zoals koolstofatomen leiden vaak tot slechtere schakelprestaties als gevolg van het opsluiten van ladingsdragers in 'diepe niveaus, ' energieniveaus gecreëerd door de onzuiverheidsdefecten in de GaN-kristallagen en waarvan wordt gedacht dat ze afkomstig zijn van de aanwezigheid van een koolstofverontreiniging op een stikstoflocatie.

Een merkwaardige experimentele manifestatie van diepe niveaus is het verschijnen van een langlevende gele luminescentie in het fotoluminescentiespectrum van GaN samen met een lange recombinatietijd van de ladingsdrager, gerapporteerd door karakteriseringstechnieken zoals tijdsopgeloste fotoluminescentie (TR-PL) en microgolffotogeleidingsverval ( μ-PCD). Echter, het mechanisme dat ten grondslag ligt aan deze levensduur is onduidelijk.

In een recente studie gepubliceerd in Tijdschrift voor Toegepaste Natuurkunde wetenschappers uit Japan onderzochten het effect van diepe niveaus op de gele luminescentievervaltijd en draaggolfrecombinatie door te observeren hoe de TR-PL- en μ-PCD-signalen veranderden met de temperatuur. "Pas nadat we de effecten van onzuiverheden in GaN-vermogenshalfgeleiderapparaten hebben begrepen, kunnen we aandringen op de ontwikkeling van onzuiverheidscontroletechnologieën in GaN-kristalgroei, " zegt Prof. Masashi Kato van het Nagoya Institute of Technology, Japan, die de studie leidde.

De wetenschappers maakten twee monsters van GaN-lagen die op GaN-substraten waren gekweekt, één gedoteerd met silicium en de andere met ijzer. De onbedoelde dotering van koolstofonzuiverheden gebeurde tijdens het siliciumdoteringsproces. Voor de TR-PL metingen, het team registreerde signalen voor temperaturen tot 350°C en voor μ-PCD tot 250°C vanwege systeembeperkingen. Ze gebruikten een 1 nanoseconde lange UV-laserpuls om de monsters te prikkelen en maten de reflectie van microgolven van de monsters voor μ-PCD.

De TR-PL signalen voor beide samples vertoonden een langzamere (verval) component met een vervaltijd van 0,2-0,4 milliseconden. Aanvullend, het gebruik van een long-pass filter met een cut-off bij 461 nm bevestigde dat er sprake was van geel licht. In beide monsters en voor zowel TR-PL- als μ-PCD-metingen, de vervaltijd daalde boven 200°C, consistent met eerdere berichten.

Om deze bevindingen te verklaren, de wetenschappers hun toevlucht namen tot numerieke berekeningen, waaruit bleek dat de diepe niveaus in wezen "gaten" (afwezigheid van elektronen) opsloten die uiteindelijk recombineerden met vrije elektronen, maar het duurde lang om dit te doen vanwege de extreem kleine kans dat een elektron door het diepe niveau werd gevangen. Echter, bij hoge temperaturen, de gaten wisten uit de val te ontsnappen en recombineerden met de elektronen via een veel sneller recombinatiekanaal, verklaring van de afname van de vervaltijd.

"Om de effecten van de langzame vervalcomponent te verminderen, we moeten ofwel een lage koolstofconcentratie handhaven of apparaatstructuren aannemen met onderdrukte gateninjecties, " zegt prof. Kato.

Met deze inzichten het is misschien slechts een kwestie van tijd voordat wetenschappers erachter komen hoe ze deze valkuilen kunnen vermijden. Maar met de opkomst van GaN aan de macht, zal het gewoon betere elektronica zijn?

Prof. Kato denkt daar anders over. "GaN maakt lagere vermogensverliezen in elektronische apparaten mogelijk en bespaart daardoor energie. Ik denk dat het een grote bijdrage kan leveren aan het verminderen van broeikaseffecten en klimaatverandering, " concludeert hij optimistisch. Deze bevindingen over onzuiverheden kunnen ons dus leiden naar een schoner, groenere toekomst!