Galliumnitride onder de loep

Promotoren: Prof. Benoit Bakeroot (CMST, ELIS), Prof. Dirk Poelman (Lumilab, Vastestofwetenschappen)

Begeleiding: Prof. Benoit Bakeroot, Lisa Martin

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

Trefwoorden:
Halfgeleider, GaN, fotoluminescentie

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 band gap) 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. Jammer genoeg blijft één van de belangrijkste uitdagingen voor deze technologie het vervaardigen van GaN van voldoende hoge kwaliteit, d.w.z. met zo weinig mogelijk defecten.

Doelstelling:
Na een kennismaking met de wondere wereld van galliumnitride, is het de bedoeling verder inzicht te verwerven door bv. 1D-structuren te bestuderen aan de hand van numerieke simulaties in een commercieel softwarepakket (Synopsys’ “Technology Computer Aided Design” of TCAD waarin onder meer de Poisson- en de drift-diffusievergelijkingen worden opgelost m.b.v. de eindige-elementenmethode). De vakgroep ELIS (zowel CMST als LCP) heeft een ruime ervaring in het simuleren van halfgeleidercomponenten en begeleidt dan ook dit deel van de thesis. Een ander luik van dit thesiswerk bestaat uit luminescentiemetingen, zowel fotoluminescentie als cathodoluminescentie in een elektronenmicroscoop. De samples worden ter beschikking gesteld vanuit imec, waar het CMST-labo aan geassocieerd is. De metingen gebeuren hoofdzakelijk in De Sterre (S1), in de onderzoeksgroep LumiLab (Prof. D. Poelman, Faculteit Wetenschappen). Uit deze metingen volgt een karakterisering van bepaalde onzuiverheden of defecten. Een derde en finale stap bestaat uit het terugkoppelen van deze meetresultaten in de TCAD-simulaties teneinde een verbeterd inzicht te verkrijgen van de werking van GaN-componenten.