Groep: DiSC

Promotoren: Henk Vrielinck en Eddy Simoen

Begeleiding: Jan Lettens en Samira Khelifi

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

Probleemstelling:

De globale jaarlijkse vraag naar elektrische energie groeit 2.1%, dit is ongeveer dubbel zo snel als de globale totale energievraag [1]. Efficiënte energieomzetting wordt bijgevolg steeds belangrijker. De vermogenstransistor, in zijn functie van elektronische schakelaar, is een sleutelcomponent bij het transport van elektrische energie. Vermogenstransistoren worden ontworpen om in hun AAN toestand (ON) hoge stromen te voeren met minimaal verlies (serieweerstand) en om in UIT toestand (OFF) hoge spanningen te blokkeren (tot honderden V of zelfs kV). Halfgeleiders met een grote verboden zone (band gap) (zoals GaN, AlN, Ga­₂O₃, diamant, …) zijn hier in principe beter voor geschikt dan Si [2], maar zelfs na enkele decennia onderzoek is men er, tot vrij recent, niet in geslaagd om een economisch haalbaar alternatief voor Si voor te stellen. In de sterk groeiende markt van elektrisch aangedreven voertuigen, waar hoge eisen aan de vermogenstransistoren worden gesteld, heeft SiC (band gap ~ 3 eV) toch een plaatsje weten te veroveren [3], (al is dat voorlopig nog aan een 50 maal hogere kostprijs dan Si). Voor een grote doorbraak dient de kwaliteit van de componenten echter nog te verbeteren: de mobiliteit van de ladingsdragers in de inversielaag van de transistoren is verre van optimaal, wat tot grote verliezen in ON toestand leidt. Defecten aan en nabij  het grensvlak tussen SiC en het poortoxide in de transistor worden hiervoor verantwoordelijk gehouden. De voorbije decennia zijn er dan ook inspanningen geleverd om de aard en oorzaak van deze defecten te achterhalen.

Hun precieze aard en oorsprong, en ook de manier waarop ze met ladingsdragers interageren, worden echter nog steeds niet volledig begrepen. Dit bemoeilijkt de optimalisatie van SiC vermogenscomponenten. Verschillende elektronicabedrijven proberen – in een wedloop om deze markt te veroveren – een oplossing te vinden voor dit probleem, wat de huidige golf van onderzoek naar defecten aan SiC/oxide oppervlakken verklaart.  Een fysisch-chemisch model dat onlangs ter verklaring van magnetische resonantie-experimenten werd voorgesteld is in fig. 1 weergegeven.

Doel:

Deze masterthesis wil bijdragen tot een beter begrip van de impact van defecten op SiC elektronische vermogenscomponenten. Daartoe zullen temperatuursafhankelijke capaciteit – spanningsmetingen (C-V) en Deep Level Transient Spectroscopy (DLTS) experimenten uitgevoerd worden op metaal-oxide-halfgeleider (MOS) condensatoren (CAPs) en veldeffecttransistoren (FETs). Meting van C-V profielen, en in het bijzonder de hysteresis tussen oplopende en neergaande spanning [4], levert eenvoudig toegankelijke informatie over vangst van ladingsdragers in en nabij het SiC/oxide scheidingsvlak. Bij DLTS wordt de trage tijdsafhankelijkheid (ms schaal) van de ac capaciteit van een CAP of FET geanalyseerd, die optreedt ten gevolge van emissie van ladingsdragers uit vallen (traps). Deze werden gevuld in een voorafgaande spanningspuls van depletie naar accumulatie. DLTS levert spectroscopische informatie over deze traps, namelijk hun energiedistributie ten opzichte van de band gap van de halfgeleider en hun vangstefficiëntie. Een complete en consistente interpretatie van de experimenten houdt echter veel uitdagingen in, omdat er lokaal hoge concentraties aan vallen aanwezig zijn en hun ruimtelijke noch energetische distributie gekend zijn. Daarom zal modellering van de onderzochte elektronische componenten ook een voorname rol spelen in dit onderzoek.

Dit thesisonderzoek maakt deel uit van een internationale samenwerking van ON-Semiconductor België met verscheidene universiteiten in Europa over de karakterisering van oppervlakdefecten in SiC met elektrische en magnetische resonantie spectroscopische technieken.

[1] https://www.iea.org/reports/world-energy-outlook-2019/electricity

[2] B. J. Baliga, IEEE Electron Device Lett. 10, 455–457 (1989).

[3] https://www.mordorintelligence.com/industry-reports/silicon-carbide-power-semiconductor-market

[4] Y. Kagoyama et al., J. Appl. Phys. 125, article no. 065302 (2019).

[5] F. Triedl et al., J. Vac. Sci. Technol. B 37(3), article no. 032903 (2019).

Educatieve master: Dit onderwerp wordt niet als thesis aangeboden in de educatieve master.

Mobiliteit: In samenspraak met promotoren en begeleiders kan worden nagegaan of een deel van het experimentele werk in ON-Semiconductor België (Oudenaarde) kan worden uitgevoerd.