FRIPRO-Fri prosjektstøtte

Transistorer danner ryggraden i vår teknologiske verden. Selv om moderne silisiumprosessering gjør integrasjon av tusenvis av transistorer på en enkelt liten brikke mulig, har silisium sine begrensninger, spesielt for applikasjoner med høy spenning og høy effekt. Etter hvert som etterspørselen øker etter et adaptivt "smart strømnett" – et elektrisk nettverk som er i stand til å regulere og distribuere fornybar energi, lade elektriske kjøretøy og forsyne hjem og arbeidsplasser med strøm – er det behov for transistorer som kan håndtere høyere spenninger og strømmengder enn eksisterende silisiumbaserte og moderne teknologier. Prosjektet «Diamond and Gallium Oxide interfaces for Power Electronic Devices» (DOPED) fokuserer på to ultrabrede båndgapshalvledere: diamant og galliumoksid. Disse materialene har potensial til å skape avanserte elektroniske høyeffekts-komponenter på grunn av deres iboende høyspenningskapasitet, og det er vanskelig å se for seg ytterligere potensial for å øke høyspenningskapasiteten ved hjelp av andre elementer i periodesystemet. Betydelig forskning er imidlertid nødvendig for fullt ut å utnytte disse stoffenes potensiale og integrere dem i vanlige transistorteknologier. I løpet av det siste året har DOPED-prosjektet gjort flere nevneverdige fremskritt. Vi har utvidet teamet vårt med rekruttering av en PhD-student som allerede har bidratt betydelig til forskningsinnsatsen vår. Hun har presentert arbeidet vårt både på nasjonale og internasjonale konferanser - og mottok prisen for beste «poster» på den 3. årlige TNNN-konferansen i Oslo, arrangert av forskerskolen for «Training the Next Generation of Micro- and Nanotechnology Researchers in Norway» (TNNN). Undersøkelsene våre av veksten til betafase-galliumoksid ved bruk av deponering med fjerngenerert plasma viser klare fremskritt. Vi har studert effektene av substrat-temperaturen under vekst, trykket i vekstkammeret og oksygen/argon-forholdet som brukes. Disse undersøkelsene utføres gjennom to masterprosjekter i samarbeid med Senter for materialvitenskap og nanoteknologi (SMN). En av våre masterstudenter fikk anerkjennelse ved å vinne prisen for «beste poster» på senterets vinterseminar. Prosjektet vårt har også gjort fremskritt gjennom tilgang til internasjonale synkrotronforskningsanlegg. Teamet vårt fikk tildelt en uke med synkrotronstråletid ved ISA-anlegget i Aarhus, Danmark. Resultatene fra eksperimentene våre, hentet fra de ytterste atomlagene av et materiale, gir uvurderlige innsikt i kjemien til galliumoksiddannelse på oksygen-terminerte diamantoverflater. Disse studiene fokuserer på å evaluere de kritiske parameterne som kreves for at et krystallag av galliumoksid skal kunne gro på diamantoverflaten. Målet er å oppnå kunnskap som er nødvendig for å oppnå en lav tetthet av defekter ved grensesnittet mellom de to materialene, noe som er avgjørende for til slutt å oppnå høykvalitets elektroniske komponenter. I tillegg deltok vi på den «37. European Conference on Surface Science» (ECOSS 37) i Storbritannia, hvor vi hadde muligheten til å møte medlemmer av vårt internasjonale rådgivende styre. Disse møtene tilrettela for planlegging av samarbeidende eksperimenter med fokus på å generere ultraflate diamantoverflater, som gir et ideelt utgangspunkt for våre galliumoksidlag. Dette samarbeidet har som mål å forbedre kvaliteten og ytelsen til grensesnittene vi undersøker. Etter hvert som vi fortsetter å utforske disse to ultrabrede båndgaps halvlederne, har vi som mål å bygge en omfattende kunnskapsbase som vil fremme den teknologiske relevansen av kombinasjonen av diamant og galliumoksid for kraftelektronikkomponenter. Viktige spørsmål som fortsatt gjenstår, inkluderer: Kan en legering hjelpe med å forbedre krystallmatch mellom diamant og galliumoksid? Hva er hoved-defektene som dannes, og påvirker de de elektriske egenskapene? Hvordan kan vi konstruere elektriske kontakter som tåler de høye feltene og temperaturene enheten til slutt vil bli utsatt for? Fremskrittene som ble gjort i løpet av det siste året fremhever målrettede skritt mot å oppnå våre mål og gir et solid grunnlag for arbeidet som kommer.

Recently the beta phase of Ga2O3 has attracted significant attention as an emerging ultra-wide bandgap (UWBG) semiconductor for applications in power electronics. Most of the attention stems from its potential to operate at higher voltages and frequencies than the current front runners SiC and GaN. However, Ga2O3 suffers from two main drawbacks; 1) The intrinsic n-type nature of the defects means that p-type material is difficult to achieve, and 2) Poor thermal conductivity results in self-heating during operation. Diamond is another promising UWBG semiconductor that has potential to operate at high voltages, whilst its unparalleled thermal conductivity allows for devices to operate at elevated temperatures. However, the synthesis of a n-type material still remains challenging. The difficulty in preparing materials with either p or n-type doping for Ga2O3 and diamond respectively, prohibits the creation of efficient homojunctions, however their combination will result in heterojunction that allows for the excellent properties of both materials to be fully realised and exploited. To accomplish this, we plan to explore the value chain from fundamental science to prototype heterojunction fabrication and benchmarking, by utilising advanced synthesis and materials characterisation/modelling techniques to provide continuous feedback for the synthesis of epitaxial layers and development of contacts. Photoemission spectroscopy/microscopy, x-ray and electron diffraction as well as junction specific electronic spectroscopies will form the main analysis techniques, complemented by DFT calculations of the optimised crystal structures, electronic structure and device parameters. The ambition of the DOPED project is that the results will directly feed into the preparation of a working heterojunction device, whilst outlining the requirements for these materials to be utilised in bipolar junction transistors, a highly sought after technological step for both materials.