Halvledarindustrin och i stort sett all elektronik idag domineras av kisel. I transistorer, datorchip, och solceller, kisel har varit en standardkomponent i decennier. Men allt detta kan förändras snart, med galliumnitrid (GaN) som framstår som en kraftfull, även överlägsen, alternativ. Även om det inte är särskilt känt, GaN halvledare har funnits på elektronikmarknaden sedan 1990-talet och används ofta i kraftelektroniska enheter på grund av deras relativt större bandgap än kisel-en aspekt som gör den till en bättre kandidat för applikationer med hög spänning och hög temperatur. Dessutom, strömmen går snabbare genom GaN, vilket säkerställer färre kopplingsförluster vid omkopplingsapplikationer.

Inte allt med GaN är perfekt, dock. Även om föroreningar vanligtvis är önskvärda i halvledare, oönskade föroreningar kan ofta försämra deras prestanda. I GaN, föroreningar som kolatomer leder ofta till sämre omkopplingsprestanda på grund av att laddningsbärare fastnar i djupa nivåer, 'energinivåer som skapas av orenhetsdefekterna i GaN -kristallskikten och som antas härröra från närvaron av en kolförorening på en kväveplats.

En märklig experimentell manifestation av djupa nivåer är utseendet på en långlivad gul luminescens i fotoluminescensspektrumet för GaN tillsammans med en lång laddningsbärarrekombinationstid rapporterad av karakteriseringstekniker som tidsupplöst fotoluminescens (TR-PL) och mikrovågs fotokonduktivitetsförfall ( μ-PCD). Dock, mekanismen bakom denna livslängd är oklar.

I en ny studie publicerad i Journal of Applied Physics forskare från Japan undersökte effekten av djupa nivåer på den gula luminescensförfallstiden och rekombination av bärare genom att observera hur TR-PL- och μ-PCD-signalerna förändrades med temperaturen. "Först efter att ha förstått effekterna av föroreningar i GaN -halvledaranordningar kan vi driva på utvecklingen av tekniker för föroreningskontroll i GaN -kristalltillväxt, "säger professor Masashi Kato från Nagoya Institute of Technology, Japan, som ledde studien.

Forskarna förberedde två prover av GaN -lager som odlats på GaN -substrat, en dopad med kisel och den andra med järn. Den oavsiktliga dopningen av kolföroreningar hände under kiseldopningsprocessen. För TR-PL-mätningarna, laget registrerade signaler för temperaturer upp till 350 ° C medan för μ-PCD upp till 250 ° C på grund av systembegränsningar. De använde en 1 nanosekund lång UV-laserpuls för att excitera proverna och mätte reflektionen av mikrovågor från proverna för μ-PCD.

TR-PL-signalerna för båda proverna visade en långsammare (sönderfallskomponent) med en sönderfallstid på 0,2-0,4 millisekunder. Dessutom, användningen av ett långpassfilter med en avstängning vid 461 nm bekräftade att gult ljus var inblandat. I båda proven, och för både TR-PL och μ-PCD mätningar, sönderfallstiden sjönk över 200 ° C, överensstämmer med tidigare rapporter.

För att förklara dessa fynd, forskarna använde sig av numeriska beräkningar, som avslöjade att de djupa nivåerna väsentligen fångade "hål" (frånvaro av elektroner) som så småningom rekombinerades med fria elektroner men tog lång tid att göra det på grund av den extremt små chansen att en elektron fångas upp av den djupa nivån. Dock, vid höga temperaturer, hålen lyckades fly från fällan och rekombinerades med elektronerna genom en mycket snabbare rekombinationskanal, förklarar nedgången i förfallstid.

"För att minska effekterna av den långsamma sönderfallskomponenten, vi måste antingen hålla en låg koldioxidkoncentration eller anta anordningstrukturer med undertryckta hålinjektioner, "säger professor Kato.

Med dessa insikter, det är kanske bara en tidsfråga innan forskare tar reda på hur man kan undvika dessa fallgropar. Men med GaNs uppkomst till makten, blir det bara bättre elektronik?

Prof. Kato tycker annorlunda. "GaN möjliggör lägre effektförluster i elektroniska enheter och sparar därför energi. Jag tror att det kan gå långt för att mildra växthuseffekter och klimatförändringar, "avslutar han optimistiskt. Dessa fynd om föroreningar kan alltså vara det som leder oss till en renare, grönare framtid!