Tillväxt av högkvalitativa substrat för mikroelektroniska applikationer är en av nyckelelementen som hjälper till att driva samhället mot en mer hållbar grön ekonomi. I dag, kisel spelar en central roll inom halvledarindustrin för mikroelektroniska och nanoelektroniska enheter.

Kiselwafers av hög renhet (99,0 % eller högre) enkelkristallint material kan erhållas via en kombination av vätsketillväxtmetoder, såsom att dra en frökristall från smältan och genom efterföljande epitaxi. Haken är att den förstnämnda processen inte kan användas för tillväxt av kiselkarbid (SiC), eftersom det saknar en smältfas.

I journalen Tillämpad fysik recensioner , Giuseppe Fisicaro och ett internationellt team av forskare, ledd av Antonio La Magna, beskriva en teoretisk och experimentell studie av de atomära mekanismerna som styr utökad defektkinetik i kubisk SiC (3C-SiC), som har en diamantliknande zinkblende (ZnS) kristallstruktur som manifesterar både stapling och anti-fasinstabilitet.

"Utvecklingen av ett tekniskt ramverk för kontroll av kristallina imperfektioner inom SiC för tillämpningar med breda bandgap kan vara en spelförändrande strategi, sa Fisicaro.

Forskarnas studie pekar ut de atomistiska mekanismer som är ansvariga för utökad defektgenerering och evolution.

"Anti-fasgränser - plana kristallografiska defekter som representerar kontaktgränsen mellan två kristallregioner med switchade bindningar (C-Si istället för Si-C) - är en kritisk källa till andra utökade defekter i en uppsjö av konfigurationer, " han sa.

En eventuell minskning av dessa antifasgränser "är särskilt viktigt för att uppnå kristaller av god kvalitet som kan användas i elektroniska enheter och möjliggöra hållbara kommersiella avkastningar, sa Fisicaro.

Så de utvecklade en innovativ Monte Carlo-simuleringskod baserad på ett supergitter, som är ett rumsligt gitter som innehåller både den perfekta SiC-kristallen och alla kristallimperfektioner. Det hjälpte "belysa de olika mekanismerna för defekt-defektinteraktioner och deras inverkan på de elektroniska egenskaperna hos detta material, " han sa.

Framväxande halvledarenheter med stort bandgap, som de som är byggda med SiC, är betydande eftersom de har potential att revolutionera kraftelektronikindustrin. De är kapabla till snabbare växlingshastigheter, lägre förluster och högre blockeringsspänningar, som är överlägsna de för standard silikonbaserade enheter.

Stora miljövinster är också inblandade. "Om världens kiselkraftenheter som används inom detta intervall med ersattes av 3C-SiC-enheter, en minskning med 1,2x10^10 kilowatt per år skulle kunna uppnås, " sa Fisicaro.

"Detta motsvarar en minskning av 6 miljoner ton koldioxidutsläpp, " han sa.

Forskarna drog slutsatsen att den låga kostnaden för 3C-SiC hetero-epitaxiala tillvägagångssätt och skalbarheten av denna process till 300-millimeters wafers och längre gör denna teknik extremt konkurrenskraftig för motordrivna el- eller hybridfordon, luftkonditioneringssystem, kylskåp, och ljusemitterande diodbelysningssystem.