Defect control in Gallium Oxide for next-generation POWer electronics

Kraftelektronikk er en sentral del av alle elektriske systemer og brukes til å konvertere mellom alternerende strøm (AC) og likestrøm (DC) eller til å øke eller redusere spenningsnivået. Kraftelektronikk er en integrert del av vårt kraftnett, men er også sentralt i å tilføre strøm til nettet fra f.eks solceller og vindturbiner. De er også sentrale for å lade elbiler og i overføringen av energi fra batteriene til motoren. Vi finner de også i alle elektriske enheter i våre hjem, stekeovn, mobiltelefon og PC'er for å nevne noe. Med andre ord, kraftelektronikk er en helt sentral del av elektrifiseringen av vårt samfunn. Dagens kraftelektronikk er i stor grad basert på silisium. Prosjektet «Defect control in Gallium Oxide for next-generation POWer electronics (GO-POW)» handler om å forstå grunnleggende defekter i gallium-oksid som er et materiale med stort fremtidig potensial for bruk i kraftelektronikk-komponenter. Materialet har to store fordeler sammenlignet med silisium: (i) er muligheten til å opprettholde mye større elektriske felt før det bryter sammen og (ii) muligheten til å tåle høyere temperaturer og fortsatt fungere slik det er tiltenkt. At materialet tåler høyere spenninger betyr at man kan redusere tykkelsen på materialet, som igjen vil kunne bety mindre utvikling av varme under drift. For å realisere disse mulighetene så må man utvikle materialforståelsen. Som en del av tidligere arbeid med galliumoksid har vår forskningsgruppe ved Universitetet i Oslo bidratt til å identifisere en klasse av defekter, såkalte bi-stabile punktdefekter. Punktdefekter kan enklest beskrives som feilplasserte atomer i et ellers perfekt gitter. Det kan være et atom for mye eller ett som mangler, eller bare rett og slett noen som er på feil sted. For å forstå og forhåpentligvis lære oss å kontrollere disse defektene kommer vi til å ta i bruk en kombinasjon av beregningsteknikker og eksperimentelle teknikker som ligger helt i forskningsfronten internasjonalt. I prosjektet har det vært jobbet med f.eks å forstå hvordan f.eks Zn oppfører seg i Ga2O3. Til vår store overraskelse så viste kombinasjonen av teoretiske beregninger og eksperiment at det er plass til to Zn-atomer på en Ga-plass. Ett Zn-atom gir en akseptor oppførsel, men med to så endres defekten til å bli en donor. Kombinasjonen av å introdusere både akseptorer og donorer på samme tid kan forklare den overraskende høye konsentrasjonen av Zn som det var mulig å diffundere inn i materialet. Videre så viste vi hvordan det var mulig å varmebehandle materialet på en slik måte at defekten gikk over til en enkelt Zn på Ga-plass og på den måten gå fra å være n-type til fullstendig kompensert. Dette gir potensielle muligheter for å kontrollere ladningsbærerkonsentrasjonen i Ga2O3.I et annet eksempel har vi jobbet med diffusjon av Ge, hvor vi har fått et meget godt samsvar mellom beregninger og eksperiment som også har gitt et godt grunnlag for å sammenligne med diffusion av andre elementer. Vi har også som en del av prosjektet skrevet en oversiktartikkel som oppsummerer ca 15 år med arbeid som har brukt tetthetsfunksjonal beregninger til å gi en grundig forståelse av diffusjonsprosesser i materialer som ZnO, SiC og Ga2O3. Artikkelen ble fremhevet av journalen som en av de beste artiklene.

Metal oxide semiconductors are widely recognized as prime materials for future energy technology. While being abundant and environmentally friendly, they exhibit a diverse set of functional properties, making them attractive for applications in several different fields, e.g., photovoltaics, LEDs, fuel cells, batteries, photocatalysis and power electronics. However, all of those applications require control over the defect population, which has proven to be challenging for this materials system. A specific class of defects with strong electron-phonon interaction have proven to be especially challenging, and have previously not been possible to describe with standard density functional calculations. They are also challenging to identify from an experimental view, i.e., by optical and electrical techniques, due to large Franck-Condon shifts and vibrational broadening. Thus, there is an imminent knowledge need for a fundamental understanding of this class of defects. Since 2016 there has been a rapid development on hybrid density functional calculations at UiO together with international collaborators. Combined with the long track record of defect identification with optical and junction spectroscopy techniques. We believe we are in a unique position to closely integrate defect modeling with experimental identification in metal oxides in general. In GO-POW we target one specific material Ga2O3, which has shown very promising properties as a material for power electronics. Bi-stable defects in Ga2O3 may, however, severely limit the performance. The material is highly an-isotropic and thus introduce additional challenges, compared to materials like Si, ZnO and SiC. However, equipped with state-of-the-art methodology both on the modelling and experimental side, we are confident that addressing this challenge is both timely and possible. It is also of imminent technological need, since Ga2O3 is expected to mature to the level of industrial applicatoin already in 2035.