Wat na silicium? Galliumnitride als alternatieve halfgeleider voor vermogencomponenten

Promotoren: Profs. Benoit Bakeroot (EA06), Henk Vrielinck en Johan Lauwaert (fac. ingenieurswetenschappen EA06)

Begeleiding: Profs. Johan Lauwaert (EA06), Benoit Bakeroot (EA06) en Eddy Simoen

Inlichtingen: tel. 09/264.43.42 of contacteer rechtstreeks een betrokken persoon (de contact-gegevens opvragen door op de naam te klikken)

Trefwoorden:
Fysica van Halfgeleidercomponenten, halfgeleider, transistor, GaN

Probleemstelling:
Men gaat er van uit dat meer dan 60% van alle elektrische energie door één of meerdere vermogencomponenten stroomt. De efficiëntie waarmee elektronische componenten (diodes en schakelaars of transistoren) elektrische energie omzetten heeft een enorme impact op het wereldwijde verbruik van elektriciteit. Deze componenten worden tot op heden quasi allemaal vervaardigd uit één enkel materiaal: silicium. Zolang echter silicium gebruikt wordt als halfgeleidermateriaal, zal een radicale verbetering in de efficiëntie van deze schakelcomponenten uitblijven. Vanuit theoretisch oogpunt zijn halfgeleiders met een brede bandkloof (wide bandgap) hét alternatief voor vermogencomponenten. Zowel siliciumcarbide (SiC) als galliumnitride (GaN) lijken over de beste papieren te beschikken: beide hebben een bandkloof van meer dan 3.0 eV, halen een kritisch elektrisch veld dat meer dan een tienvoud is dan dat van silicium, hebben een hoge mobiliteit en saturatiesnelheid, en een relatief hoge thermische geleidbaarheid. Daarbij komt nog dat deze brede bandkloof materialen in principe geschikt zijn om bij hogere temperaturen te werken dan silicium; een voordeel dat wel eens van primordiaal belang zou kunnen zijn in bijvoorbeeld elektrische motoren in auto’s. Galliumnitride lijkt een zeer geschikte kandidaat voor het maken van elektrische schakelaars: niet alleen omdat het mogelijk is in dit materiaal hoge elektronmobiliteiten te halen (tot 2000 cm2/Vs) in combinatie met hoge elektrondichtheden aan bepaalde heterojuncties, maar ook omdat het mogelijk is dit materiaal te groeien op siliciumplakken (wafers) - een belangrijke economische troef. Echter, één van de belangrijkste uitdagingen voor deze technologie is het maken van een halfgeleider-isolator grensvlak van hoge kwaliteit (analoog aan de klassieke siliciumtechnologie, waar SiO2 zorgt voor een fabelachtig goed grensvlak met het silicium).

Doelstelling: Na een kennismaking met de wondere wereld van galliumnitride, is het de bedoeling verder inzicht te verwerven door bv. capaciteiten te bestuderen m.b.v. “Technology Computer Aided Design” (TCAD). CMST heeft al een ruime ervaring in het gebied van TCAD en simulatie van GaN-componenten. Een tweede stap is dan het opmeten van verschillende karakteristieken van deze structuren (bv. C(V) metingen bij verschillende temperaturen). De samples worden ter beschikking gesteld vanuit imec, waar het CMST-labo aan geassocieerd is. De metingen gebeuren hoofdzakelijk in De Sterre, in samenwerking met de onderzoeksgroep DiSC (Prof. H. Vrielinck & Prof. E. Simoen, Faculteit Wetenschappen). Uit deze metingen volgt dan idealiter een karakterisering van bv. het isolator-GaN grensvlak. Een derde en finale stap zou dan bestaan uit het terugkoppelen van deze meetresultaten in de TCAD-simulaties teneinde een verbeterd inzicht te verkrijgen van de werking van GaN-componenten.

Thesis 2015-2016 DiSC3b