Forskare vid Nagoya Institute of Technology (NITech) och samarbetande universitet i Japan har fått ny insikt om mekanismerna bakom nedbrytningen av ett halvledarmaterial som används i elektroniska enheter. Genom att lyfta fram den specifika vetenskapen bakom hur materialet försämras, de gör plats för potentiella upptäckter som kan förhindra materialets prestandaförsämring.

Studien publicerades i Journal of Applied Physics i september 2018. Forskarna använde Silicon Carbide (SiC) material för experimentet. SiC blir ett mer populärt alternativ till standardhalvledarmaterial för elektroniska enheter. Studien baseras på en specifik typ av SiC-material som är karakteristisk för dess struktur, eller 4H-SiC. Detta material exponerades för både fotoluminescens och olika temperaturer som ett sätt att skapa specifika typer av deformationer som leder till nedbrytning av SiC-baserade enheter. Forskarna kunde observera hur dessa deformationer faktiskt sker på atomnivå.

"Vi kvantifierade hastigheten med vilken elektriska laddningspartiklar rör sig i områden av 4H-SiC-material där atomstrukturen har defekterats. Detta kommer att inleda upptäckter av sätt att undertrycka nedbrytning av SiC-baserade enheter såsom kraftelektroniska system, " säger Dr Masashi Kato, en docent vid Frontier Research Institute for Materials Science i NITech.

För att bättre förstå den faktiska mekanismen bakom atomär deformation som leder till nedbrytningar, forskarna använde fotoluminescens för att inducera rörelse av elektriska laddningspartiklar och mätte hastigheterna med vilka det ägde rum. De letade efter specifika faktorer som kan begränsa partikelrörelser, inklusive det material som användes.

De testade också effekterna av ökad temperatur, specifikt för att se om högre temperaturer kommer att öka eller minska deformationshastigheten.

Enligt Dr. Kato, förekomsten av en speciell typ av atomär deformation som orsakar materialets nedbrytning är särskilt problematisk för SiC-baserade kraftenheter. "Medan en viss SiC-baserad enhet är i drift, materialets atomer deformeras, vilket leder till försämring. Processen genom vilken dessa atomer deformeras är inte klar ännu. Vad är känt, dock, är att rörelse av elektrisk laddning inom materialet såväl som områden där materialet har blivit defekt redan bidrar till den tidigare nämnda atomdeformationen, " han påstår.

Hittills har liknande experiment utförts av andra forskare, de resultat som har rapporterats är inte konsekventa. Här, resultatet av experiment med fotoluminescens indikerar att bärarrekombinationen i enstaka Shockley-staplingsfel (1SSF) och vid partiella dislokationer (PD) är snabbare än i regioner utan 1SSF i 4H-SiC. Sådan snabb rekombination kommer att inducera nedbrytningen av enheten med 1SSF. Dessutom, 1SSF expansionshastighet ökar också med temperaturökning.

Som sådan, de banar väg för forskning som kommer att kretsa kring nedbrytningen av SiC-baserade enheter. Detta, i tur och ordning, kan potentiellt resultera i högre kvalitet och mer hållbara enheter.

Längs de linjerna, författarna uppger att deras framtida forskningsinsatser kommer att fokusera på att ta reda på sätt att förhindra att SiC-baserade enheter försämras samt att skapa enheter som inte kommer att slitas ner med tiden.