Nell'elettronica di potenza, i semiconduttori si basano sull'elemento silicio, ma l'efficienza energetica del carburo di silicio sarebbe molto più elevata. Fisici dell'Università di Basilea, il Paul Scherrer Institute e ABB spiegano cosa impedisce l'uso di questa combinazione di silicio e carbonio nella rivista scientifica Lettere di fisica applicata .

Il consumo di energia sta crescendo in tutto il mondo, e le forniture di energia sostenibile come l'energia eolica e solare stanno diventando sempre più importanti. Energia elettrica, però, è spesso generato a grande distanza dal consumatore. I sistemi di distribuzione e trasporto efficienti sono quindi altrettanto cruciali delle stazioni di trasformazione e dei convertitori di potenza che trasformano la corrente continua generata in corrente alternata.

Enormi risparmi sono possibili

La moderna elettronica di potenza deve essere in grado di gestire grandi correnti e alte tensioni. Gli attuali transistor realizzati con materiali semiconduttori per transistor ad effetto di campo sono ora basati principalmente sulla tecnologia del silicio. Significativi vantaggi fisici e chimici, però, derivano dall'uso del SiC rispetto al silicio:oltre a una resistenza al calore molto più elevata, questo materiale fornisce un'efficienza energetica significativamente migliore, che potrebbe portare a enormi risparmi.

È noto che tali vantaggi sono notevolmente compromessi da difetti all'interfaccia tra il carburo di silicio e il materiale isolante biossido di silicio. Questo danno si basa su minuscoli, ammassi irregolari di anelli di carbonio legati nel reticolo cristallino, come dimostrato sperimentalmente dai ricercatori guidati dal professor Thomas Jung dello Swiss Nanoscience Institute e del Dipartimento di Fisica dell'Università di Basilea e del Paul Scherrer Institute. Utilizzando l'analisi al microscopio a forza atomica e la spettroscopia Raman, hanno mostrato che i difetti sono generati in prossimità dell'interfaccia dal processo di ossidazione.

Confermato sperimentalmente

I cluster di carbonio interferenti, che misurano solo pochi nanometri, si formano durante il processo di ossidazione del carburo di silicio in biossido di silicio ad alte temperature. "Se modifichiamo determinati parametri durante l'ossidazione, possiamo influenzare il verificarsi dei difetti, " dice la dottoranda Dipanwita Dutta. Ad esempio, un'atmosfera di protossido di azoto nel processo di riscaldamento porta a un numero significativamente inferiore di cluster di carbonio.

I risultati sperimentali sono stati confermati dal team guidato dal professor Stefan Gödecker presso il Dipartimento di Fisica e lo Swiss Nanoscience Institute dell'Università di Basilea. Le simulazioni al computer hanno confermato i cambiamenti strutturali e chimici indotti dagli atomi di carbonio grafitico, come osservato sperimentalmente. Al di là degli esperimenti, è stata acquisita una conoscenza atomistica nella generazione dei difetti e del loro impatto sul flusso di elettroni nel materiale semiconduttore.

Miglior uso dell'elettricità

"I nostri studi forniscono informazioni importanti per guidare l'ulteriore sviluppo di transistor ad effetto di campo basati sul carburo di silicio. Pertanto prevediamo di fornire un contributo significativo all'uso più efficace dell'energia elettrica, " commenta Jung. Il lavoro è stato avviato nell'ambito del programma Nano Argovia per progetti di ricerca applicata.