Wide bandgap semiconductors - defects and dopants

En av de største utfordringene for vår felles globale fremtid er tilstrekkelig tilgang til ren energi. Den globale energietterspørselen er forventet å fordobles innen 2050, mens etterspørselen for elektrisitet vil triples i samme periode. Derfor trengs disruptive innovasjoner for å fremme fossilfri energiproduksjon, -lagring, -konvertering og -distribusjon. Ved å kontrollere interaksjonen mellom bulkegenskapene, nanoskala-fenomen og atomistiske prosesser, kan vi skreddersy materialer og komponenter. Disse skreddersydde løsningene er grunnlaget for fremtidige teknologier. I denne sammenhengen er en bestemt klasse av halvledermaterialer, og da særlig halvledere med vide båndgap (WGS), ansett som et av de mest lovende nye konseptene. I WEDD-prosjektet ser vi på to av de mest spennende og anerkjente WGS, nemlig sinkoksid (ZnO) og silisiumkarbid (SiC). Disse har komplementære egenskaper. ZnO er et egnet materiale for optoelektroniske komponenter, som for eksempel i fremtidens solceller, og i lysgivende komponenter på UV/blå bølgelengde. Her kan ZnO opptre som en effektiv sender med høy elektrisk konduktivitet, og høy transmisjonsfaktor av fotoner fra sola. SiC derimot, er et yndet materiale i kraft/strøm elektronikk hvor man skal konvertere, transportere og distribuere elektrisk energi. Særlig fra fornybare energikilder. Det er antatt at man kan gjøre besparelser, tilsvarende ca. 10-15% av all den energien som produseres av atomkraftverk i dag, hvis man erstatter Si-baserte energisystemer med SiC-baserte systemer. Et fremragende faglig høydepunkt i WEDD er identifikasjonen/påvisningen av karbonvakanser (VC) i SiC, og dens rolle i begrensning av livstid for elektroner og hull. Dette gjennombruddet kom som et resultat av tett internasjonalt samarbeid med grupper fra Japan, Sverige og Ungarn. Resultatet gir oss muligheten til å kontrollere tilstedeværelsen av Vc. Helt nylig har et nytt konsept for å styre konsentrasjonen av Vc demonstrerts. Det bygger på varmebehandling i karbon-rik atmosfære ved moderate temperaturer under termodynamisk likevekt. De eksperimentelle resultatene kan beskrives med en simuleringsmodell hvor diffusjon og rekombinasjon av karbon vakanser og interstitielle karbon atomer er sentrale element. Dey eksperimentelle konseptet er ukomplisert og bedre/enklere enn de som brukes i dag for å styre tilstedeværelsen av Vc. Dette igjen gjør at SiC-komponenter med redusert energitap kan forventes inn i fremtidens energikonversjon og transmisjon av elektrisitet. Et annet høydepunkt i WEDD er påvisningen av rollen til hydrogen i de såkalte E3-defektene in ZnO. E3 er den mest utholdende punktvise defekten i alle typer ZnO-materialer, og hindrer muliggjøringen av p-type doping. Dette funnet kan vise veien til å overkomme dette p-doping problemet, og dermed muliggjøre lysgivende ZnO-bipolare komponenter. Videre, gjennom en undersøkelse hvor vi kombinert resultater fra tetthets-funksjonal-teori (DFT) beregninger og elektriske spektroskopimålinger er E3 identifisert som et kompleks mellom en zink vakanse og tre hydrogen atomer. Til slutt, vekselvirken mellom oksygen vakanser og interstitielle hydrogen atomer er sterk i ZnO og oppviser stor reaktivitet.

This proposal addresses fundamental issues regarding atomistic phenomena in mono-crystalline zinc oxide (ZnO) and silicon carbide (SiC) - two wide bandgap semiconductors with great promise for renewable energy technology, energy saving (solid state lighti ng and electrical power distribution) and information technology (sensors and optoelectronics). However, to benefit from the true potential of ZnO and SiC some critical scientific challenges exist and two of the most crucial ones are tackled here, i.e., " controllable and stable doping" and "electrically active defects". The origin of the commonly observed "inherent" n-type conductivity of as-grown ZnO will be studied in detail and the contributions from intrinsic defects and residual impurities are to be understood and determined quantitatively. An ultimate goal is to master the inherent n-type doping and realize uncompensated high-resistivity samples of device-worthy quality. Tunable and stable p-type doping is the most demanding challenge for a true bre akthrough of ZnO-technology in energy saving and optoelectronics. Non-equilibrium processes invoking ion implantation, diffusion and sample quenching are exploited for elements anticipated to have a suitable electronic structure as shallow p-type dopants. Further, the role of defect species, possibly Zn interstitials, occurring during thermal treatment is to be revealed. 4H-SiC is a prime material for low-loss power electronics and sensors operating in harsh environment but the performance is ultimately l imited by deep level defects. Especially, the dominant Z1/2 and EH6/7 centers will be studied regarding identification, suppression and diffusion mechanisms. The project is planned for 2 PhD students and 1 visiting scientist, and excellent facilities exis t at UiO-MiNaLab for sample growth, modification and characterization. Further, the project comprises extensive collaboration with leading international and national research partners.