Kiselkarbid (SiC), ett mångsidigt och motståndskraftigt material som finns i flera kristallina former, har väckt stor uppmärksamhet tack vare sina unika elektroniska egenskaper. Från dess användning i de första LED-enheterna, till dess tillämpningar i högspänningsenheter med låga effektförluster, SiC uppvisar exceptionellt halvledarbeteende. Än så länge, driftspänningarna för unipolära SiC-enheter är under 3,3 kV. Även om det är användbart för elektroniska system i bilar, tåg, och hushållsapparater, unipolära SiC-baserade enheter kan inte användas i kraftgenerering och distributionssystem, som arbetar vid spänningar över 10 kV.

Vissa forskare tror att lösningen på denna gåta ligger i bipolära SiC-enheter, som erbjuder lågt på-motstånd (och därmed lägre förluster) genom konduktivitetsmodulering. Dock, konduktivitetsmoduleringseffekten är nära relaterad till livslängden för exciterade laddningsbärare i halvledaren; längre bärarlivslängder i det tjocka spänningsblockerande skiktet hos SiC-enheter leder till ökad modulering. Å andra sidan, alltför långa bärarlivslängder ökar kopplingsförlusterna, och denna avvägning måste balanseras på lämpligt sätt genom att noggrant kontrollera fördelningen av bärarlivslängder inom halvledaren.

Tyvärr, de flesta tillgängliga teknikerna för att mäta bärarlivslängdsfördelningen för en halvledare är destruktiva; provet måste skäras för att dess tvärsnitt ska analyseras. Detta motiverade ett forskarlag från Japan, leds av docent Masashi Kato från Nagoya Institute of Technology, att fokusera på att förbättra en av de två befintliga oförstörande metoderna:tidsupplöst fribärarabsorption med intersektionella ljus (IL-TRFCA). I deras nya studie publicerad i Granskning av vetenskapliga instrument , forskarna presenterar några effektfulla förändringar som gjorts av denna teknik (som de tidigare varit pionjärer) tillsammans med några mycket lovande resultat.

IL-TRFCA-metoden består huvudsakligen av excitationslaser, som skapar fotoexciterade bärare och en sondlaser plus en detektor, som mäter deras livstid. Genom att rikta båda lasrarna mot kanterna på ett objektiv, de görs att konvergera vid provets yta med motsatta infallsvinklar. Sedan, provet flyttas mot linsen i mikrometriska steg, vilket gör att excitations- och sondlasrarna skär varandra inte vid provets yta, men i allt djupare områden. På det här sättet, forskarna lyckades mäta fördelningen av bärarlivslängder inom provet utan att behöva skära av det.

Två betydande förändringar som forskarna gjorde i IL-TRFCA-metoden var antagandet av en större infallsvinkel på 34° (34 grader) för båda lasrarna och en högre numerisk bländare i objektivlinsen och detektorn. Dessa modifieringar resulterade i förbättrad djupupplösning och gjorde det också möjligt att använda IL-TRFCA i tjockare SiC-lager. Spännande över resultatet, Dr. Kato anmärker, "Vårt oförstörande tillvägagångssätt för att mäta fördelningen av bärarlivslängder gör att man kan bestämma olikformigheten hos ett material utan att förstöra provet, som sedan kan användas för att tillverka enheter, och forska och utveckla bipolär SiC-teknik, såsom högspänningsdioder och transistorer."

Att ha lämpliga mättekniker till sitt förfogande är en av de viktigaste faktorerna inom materialforskning, och IL-TRFCA skulle lätt kunna bana väg för studien – och slutligen adoptionen – av SiC i ultrahögspänningstillämpningar. I detta avseende Dr Kato kommenterar, "SiC-enheter kan arbeta med lägre strömförbrukning jämfört med konventionella halvledare, och deras kommersialisering kan resultera i en avsevärd minskning av energiförbrukningen i kraftsystem över hela världen. I tur och ordning, detta skulle kunna lindra allvarliga miljöhot som ackumulering av växthusgaser."

Nu när verktygen har lagts fram, det är dags att fördjupa sig i hur bärarlivsfördelningar kan ställas in i tjock SiC och andra halvledare. Låt oss hoppas att detta leder oss till effektivare enheter och en mer miljövänlig framtid!