Carboneto de silício (SiC), um material versátil e resistente que existe em múltiplas formas cristalinas, atraiu muita atenção graças às suas propriedades eletrônicas únicas. Desde seu uso nos primeiros dispositivos LED, para suas aplicações em dispositivos de alta tensão com baixas perdas de energia, O SiC exibe um comportamento de semicondutor excepcional. Até aqui, as tensões operacionais para dispositivos SiC unipolares estão abaixo de 3,3 kV. Embora útil para os sistemas eletrônicos de carros, trens, e eletrodomésticos, dispositivos baseados em SiC unipolares não podem ser usados ​​em sistemas de geração e distribuição de energia, que operam em tensões acima de 10 kV.

Alguns pesquisadores acreditam que a solução para este enigma está em dispositivos bipolares de SiC, que oferecem baixa resistência (e, portanto, menores perdas) por meio da modulação da condutividade. Contudo, o efeito da modulação da condutividade está estreitamente relacionado ao tempo de vida dos portadores de carga excitada no semicondutor; Os tempos de vida mais longos da portadora na espessa camada de bloqueio de tensão dos dispositivos de SiC levam a um aumento da modulação. Por outro lado, tempos de vida excessivamente longos da portadora aumentam as perdas de comutação, e essa compensação deve ser adequadamente equilibrada, controlando com precisão a distribuição de tempos de vida da portadora dentro do semicondutor.

Infelizmente, a maioria das técnicas disponíveis para medir a distribuição do tempo de vida da portadora de um semicondutor são destrutivas; a amostra deve ser cortada para que sua seção transversal seja analisada. Isso motivou uma equipe de pesquisa do Japão, liderado pelo Professor Associado Masashi Kato do Instituto de Tecnologia de Nagoya, focar na melhoria de um dos dois métodos não destrutivos existentes:absorção de portadores livres resolvida no tempo com luzes interseccionais (IL-TRFCA). Em seu novo estudo publicado em Revisão de instrumentos científicos , os pesquisadores apresentam algumas mudanças impactantes feitas nesta técnica (na qual eles haviam sido os pioneiros), juntamente com alguns resultados muito promissores.

O método IL-TRFCA consiste essencialmente em laser de excitação, que cria portadores fotoexcitados e um laser de sonda mais um detector, que medem sua vida útil. Ao apontar os dois lasers para as bordas de uma lente objetiva, eles são feitos para convergir na superfície da amostra com ângulos de incidência opostos. Então, a amostra é movida em direção à lente em etapas micrométricas, que faz com que a excitação e os lasers da sonda não se cruzem na superfície da amostra, mas em regiões progressivamente mais profundas. Desta maneira, os cientistas conseguiram medir a distribuição da vida útil do portador dentro da amostra sem a necessidade de cortá-la.

Duas mudanças substanciais que os pesquisadores fizeram no método IL-TRFCA foram a adoção de um maior ângulo de incidência de 34 ° (34 graus) para ambos os lasers e uma maior abertura numérica nas lentes objetivas e no detector. Essas modificações resultaram em maior resolução de profundidade e também possibilitaram o uso de IL-TRFCA em camadas mais espessas de SiC. Animado com os resultados, Dr. Kato observa, "Nossa abordagem não destrutiva para medir a distribuição de tempos de vida do portador permite determinar a não uniformidade de um material sem destruir a amostra, que pode ser usado para fabricar dispositivos, e pesquisar e desenvolver tecnologia de SiC bipolar, como diodos e transistores de alta tensão. "

Ter técnicas de medição adequadas à sua disposição é um dos fatores mais essenciais na pesquisa de materiais, e o IL-TRFCA poderia facilmente abrir caminho para o estudo - e, finalmente, a adoção - do SiC em aplicações de ultra-alta tensão. A respeito disso, Dr. Kato comenta, "Dispositivos SiC podem operar com menor consumo de energia em comparação com semicondutores convencionais, e sua comercialização pode resultar em uma redução substancial no consumo de energia em sistemas de potência em todo o mundo. Por sua vez, isso poderia aliviar ameaças ambientais graves, como o acúmulo de gases de efeito estufa. "

Agora que as ferramentas foram definidas, é hora de se aprofundar em como as distribuições de vida útil da portadora podem ser ajustadas em SiC espesso e outros semicondutores. Esperamos que isso nos leve a dispositivos mais eficientes e a um futuro mais ecologicamente correto!