Tilbake til søkeresultatene

NANO2021-Nanoteknologi og nye materiale

Defect control in Gallium Oxide for next-generation POWer electronics

Alternativ tittel: Defect control in Gallium Oxide for next-generation POWer electronics

Tildelt: kr 12,0 mill.

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. Siden oppstart i Februar 2021 har det blitt tilsatt en forsker (Start 01.02.2021) og en PhD (Start 01.08.2021) i prosjektet. En masterstudent har avsluttet sin mastergrad som var knyttet til prosjektet. I den perioden har det vært jobbet med forståelsen av hydrogen i galliumoksid, den bi-stabile defekten E2* og startet arbeid med diffusjon av elementer som Sn og Zn. Det har også vært gjennomført et mini-seminar med fokus på Ga2O3 sammen med NFR-prosjektene FUNCTION og GO2DEVICE med 12 deltagere.

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.

Aktivitet:

NANO2021-Nanoteknologi og nye materiale