La crescita di substrati di alta qualità per applicazioni microelettroniche è uno degli elementi chiave che aiuta a guidare la società verso un'economia verde più sostenibile. Oggi, il silicio svolge un ruolo centrale nell'industria dei semiconduttori per dispositivi microelettronici e nanoelettronici.

I wafer di silicio di materiale monocristallino di elevata purezza (99,0% o superiore) possono essere ottenuti tramite una combinazione di metodi di crescita liquida, come estrarre un cristallo seme dalla fusione e dalla successiva epitassia. Il problema è che il primo processo non può essere utilizzato per la crescita del carburo di silicio (SiC), perché manca una fase di fusione.

Nel diario Recensioni di fisica applicata , Giuseppe Fisicaro e un team internazionale di ricercatori, guidato da Antonio La Magna, descrivere uno studio teorico e sperimentale dei meccanismi atomici che governano la cinetica dei difetti estesi in SiC cubico (3C-SiC), che ha una struttura cristallina di zincoblenda (ZnS) simile a un diamante che manifesta instabilità sia di impilamento che di anti-fase.

"Lo sviluppo di un framework tecnologico per il controllo delle imperfezioni cristalline all'interno del SiC per applicazioni con bandgap ampia può essere una strategia rivoluzionaria, " disse Fisicaro.

Lo studio dei ricercatori individua i meccanismi atomistici responsabili della generazione e dell'evoluzione dei difetti estesi.

"I confini anti-fase - difetti cristallografici planari che rappresentano il confine di contatto tra due regioni cristalline con legami commutati (C-Si invece di Si-C) - sono una fonte critica di altri difetti estesi in una pletora di configurazioni, " Egli ha detto.

L'eventuale riduzione di questi confini anti-fase "è particolarmente importante per ottenere cristalli di buona qualità che possono essere utilizzati nei dispositivi elettronici e consentire rese commerciali vitali, " disse Fisicaro.

Così hanno sviluppato un codice Monte Carlo di simulazione innovativo basato su un superreticolo, che è un reticolo spaziale che contiene sia il cristallo di SiC perfetto che tutte le imperfezioni del cristallo. Ha contribuito a "far luce sui vari meccanismi delle interazioni difetto-difetto e sul loro impatto sulle proprietà elettroniche di questo materiale, " Egli ha detto.

Emergenti dispositivi a semiconduttore ad ampio bandgap, come quelli costruiti con SiC, sono significativi perché hanno il potenziale per rivoluzionare l'industria dell'elettronica di potenza. Sono in grado di velocità di commutazione più elevate, minori perdite e maggiori tensioni di blocco, che sono superiori a quelli dei dispositivi standard a base di silicio.

Sono coinvolti anche enormi benefici ambientali. "Se i dispositivi di alimentazione al silicio del mondo utilizzati all'interno di questa gamma fossero sostituiti da dispositivi 3C-SiC, si potrebbe ottenere una riduzione di 1.2x10^10 kilowatt all'anno, " Disse Fisicaro.

"Ciò corrisponde a una riduzione di 6 milioni di tonnellate di emissioni di anidride carbonica, " Egli ha detto.

I ricercatori hanno concluso che il basso costo dell'approccio etero-epitassiale 3C-SiC e la scalabilità di questo processo a wafer da 300 millimetri e oltre rendono questa tecnologia estremamente competitiva per gli azionamenti a motore di veicoli elettrici o ibridi, impianti di condizionamento, frigoriferi, e sistemi di illuminazione a diodi emettitori di luce.