Wat na silicium ? GaN als alternatief materiaal voor hoogspanningscomponenten.

Probleemstelling:

Men gaat er van uit dat meer dan 60% van alle elektrische energie door één of meerdere vermogenscomponenten stroomt. De efficiëntie waarmee actieve, elektrische componenten (diodes en schakelaars of transistoren) elektrische energie omzetten heeft een enorme impact op het wereldwijde verbruik van elektriciteit.

Deze diodes en transistoren worden vandaag bijna allemaal gemaakt in één enkele halfgeleider: silicium. Zolang echter silicium (of GaAs) gebruikt wordt als halfgeleidermateriaal, zal een echte doorbraak in de efficiëntie van deze schakelcomponenten uitblijven. Wide-bandgap halfgeleiders zijn hét alternatief voor schakelcomponenten. Zowel siliciumcarbide (SiC) als galliumnitride (GaN) lijken over de beste papieren te beschikken: beide zijn wide-bandgap halfgeleiders, halen een kritisch elektrisch veld dat een tienvoud is van Si, hebben een hoge mobiliteit en saturatiesnelheid, en een relatief hoge thermische geleidbaarheid. Daarbij komt nog dat deze wide-bandgap 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.

GaN 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 200 mm Si wafers - een belangrijke economische troef. Deze thesis zou zich toespitsen op “High electron mobility transistors”, kortweg HEMTs in GaN voor vermogenstoepassingen. Een van de moeilijkheden bij het gebruik van deze alternatieve halfgeleiders is het maken van een goede halfgeleider-isolator interface. Men wil namelijk een isolator tussen de poortelektrode en de halfgeleider om lekstromen zo veel mogelijk te vermijden (zoals in een klassieke MOSFET, waar SiO2 zorgt voor een fabelachtig goede interface).

De mogelijkheden van GaN: sneller schakelen bij hogere vermogens.

Doelstelling:

Na een kennismaking met de wondere wereld van GaN en HEMTs, is het de bedoeling de literatuur te volgen en deze transistoren onder meer te gaan bestuderen m.b.v. “Technology Computer Aided Design” (TCAD). CMST heeft al een ruime ervaring in het gebied van TCAD en GaN HEMTs, waarvoor het nauw samenwerkt met imec.

De bedoeling van de thesis is het karakteriseren van de interface isolator-(Al)GaN, en dit met behulp van elektrische metingen (waarvoor de instrumenten binnen CMST voorhanden zijn), eventueel gekoppeld met UV-lichtbronnen (ook aanwezig). De student(e) zal dus een opstelling moeten bouwen om dit interface zo goed als mogelijk in kaart te brengen. Er wordt nauw samengewerkt met imec, waar de componenten effectief gemaakt worden. Uiteindelijk is het de bedoeling om tot een beter inzicht te komen omtrent de werking van deze componenten teneinde efficiëntere vermogenstransistoren in GaN te realiseren.

Locatie:

Technicum, Ardoyen, thuis
Comments