Transistorer utgjør ryggraden i vår teknologiske verden, og i disse dager, takket være moderne silisium-prosessering, får tusenvis av transistorer plass på en enkel liten chip. Men silisium er ikke godt til alt, og letingen etter nye materialer som kan brukes til å lage andre nyttige transistorer er pågående. Der er nye krav om å re-designe det elektriske nettet til et som er adaptivt, et såkalt "smart grid”. Nettet må kunne regulere og distribuere alle de fornybare energikildene vi tilfører, legge til rette for lading av elektriske kjøretøy og strømføre hjem og arbeidsplasser. Til dette trengs det transistorer som han håndtere høyere spenning og effekt enn silisium og nåværende kraftelektornikkteknologi kan tilby.
Prosjektet “Diamant- og galliumoksid-grenseflater i fremtidens kraftelektronikk” (DOPED) tar sikte på å bruke to halvledere som faller inn i en kategori av materialer klassifisert som ultra-brede båndgap-halvledere, nemlig diamant og galliumoksid. Disse to materialene skal kunne gi den ultimate høyeffekt-elektroniske enheten, det vil si at det er vanskelig å se ytterligere potensiale for å øke høyspentkapasiteten med noen andre grunnstoffer i det periodiske systemet, men det er en lang vei å gå for at transistorteknologi av disse materialene skal være det naturlige førstevalget.
Vi må først få kunnskap om hvordan ladningsbærerne i hvert materiale oppfører seg når vi danner et grensesnitt mellom de to. Vi må svare på spørsmål som: hvordan vil det ene materialet vokse på det andre? Kan legering bidra til en bedre “krystall-match” mellom diamant og galliumoksid? Hva er de viktigste defektene som dannes og vil de elektriske egenskapene påvirkes av disse? Hvordan lager vi elektriske kontakter som tåler de høye feltene og temperaturene enheten vil bli utsatt for? Vi har som mål å skape denne kunnskapsbasen og utvikle konseptet til neste nivå.
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.