Carburo di silicio (SiC), un materiale versatile e resistente che esiste in molteplici forme cristalline, ha attirato molta attenzione grazie alle sue proprietà elettroniche uniche. Dal suo utilizzo nei primi dispositivi a LED, alle sue applicazioni in dispositivi ad alta tensione con basse perdite di potenza, Il SiC mostra un comportamento eccezionale dei semiconduttori. Finora, le tensioni di esercizio per i dispositivi SiC unipolari sono inferiori a 3,3 kV. Sebbene utile per i sistemi elettronici delle automobili, treni, ed elettrodomestici, i dispositivi unipolari basati su SiC non possono essere utilizzati nei sistemi di generazione e distribuzione di energia, che operano a tensioni superiori a 10 kV.

Alcuni ricercatori ritengono che la soluzione a questo enigma risieda nei dispositivi bipolari SiC, che offrono una bassa resistenza all'accensione (e quindi minori perdite) attraverso la modulazione della conducibilità. Però, l'effetto di modulazione della conducibilità è strettamente correlato alla durata dei portatori di carica eccitati nel semiconduttore; tempi di vita più lunghi dei portatori nello spesso strato di blocco della tensione dei dispositivi SiC portano a una maggiore modulazione. D'altra parte, tempi di vita del vettore eccessivamente lunghi aumentano le perdite di commutazione, e questo compromesso deve essere adeguatamente bilanciato controllando accuratamente la distribuzione delle vite dei portatori all'interno del semiconduttore.

Sfortunatamente, la maggior parte delle tecniche disponibili per misurare la distribuzione della durata dei portatori di un semiconduttore sono distruttive; il campione deve essere tagliato per poterne analizzare la sezione trasversale. Ciò ha motivato un gruppo di ricerca dal Giappone, guidato dal Professore Associato Masashi Kato del Nagoya Institute of Technology, concentrarsi sul miglioramento di uno dei due metodi non distruttivi esistenti:l'assorbimento del vettore libero risolto nel tempo con luci intersezionali (IL-TRFCA). Nel loro nuovo studio pubblicato in Rassegna di strumenti scientifici , i ricercatori presentano alcune modifiche di grande impatto apportate a questa tecnica (che avevano precedentemente sperimentato) insieme ad alcuni risultati molto promettenti.

Il metodo IL-TRFCA consiste essenzialmente in laser di eccitazione, che crea portatori fotoeccitati e una sonda laser più un rivelatore, che misurano la loro vita. Puntando entrambi i laser ai bordi di una lente dell'obiettivo, vengono fatti convergere sulla superficie del campione con angoli di incidenza opposti. Quindi, il campione viene spostato verso la lente a passi micrometrici, che fa sì che i laser di eccitazione e sonda si intersechino non sulla superficie del campione, ma in regioni progressivamente più profonde. In questo modo, gli scienziati sono riusciti a misurare la distribuzione delle vite dei portatori all'interno del campione senza la necessità di tagliarlo.

Due modifiche sostanziali apportate dai ricercatori al metodo IL-TRFCA sono state l'adozione di un angolo di incidenza maggiore di 34 ° (34 gradi) per entrambi i laser e un'apertura numerica più elevata nella lente dell'obiettivo e nel rilevatore. Queste modifiche hanno portato a una maggiore risoluzione della profondità e hanno anche permesso di utilizzare IL-TRFCA in strati di SiC più spessi. Entusiasta dei risultati, Il dottor Kato osserva, "Il nostro approccio non distruttivo per misurare la distribuzione della durata del vettore consente di determinare la non uniformità di un materiale senza distruggere il campione, che possono poi essere utilizzati per fabbricare dispositivi, ricerca e sviluppo della tecnologia SiC bipolare, come diodi e transistor ad alta tensione."

Avere a disposizione adeguate tecniche di misurazione è uno dei fattori più essenziali nella ricerca sui materiali, e IL-TRFCA potrebbero facilmente aprire la strada allo studio, e in definitiva all'adozione, del SiC nelle applicazioni ad altissima tensione. A questo proposito, Il dottor Kato commenta, "I dispositivi SiC possono funzionare con un consumo energetico inferiore rispetto ai semiconduttori convenzionali, e la loro commercializzazione potrebbe tradursi in una sostanziale riduzione del consumo energetico nei sistemi energetici in tutto il mondo. A sua volta, questo potrebbe alleviare gravi minacce ambientali come l'accumulo di gas serra".

Ora che gli strumenti sono stati disposti, è giunto il momento di approfondire il modo in cui le distribuzioni della durata dei portatori possono essere sintonizzate in SiC spesso e altri semiconduttori. Speriamo che questo ci porti a dispositivi più efficienti e a un futuro più ecologico!