En électronique de puissance, les semi-conducteurs sont basés sur l'élément silicium, mais l'efficacité énergétique du carbure de silicium serait beaucoup plus élevée. Physiciens de l'Université de Bâle, l'Institut Paul Scherrer et ABB expliquent ce qui empêche l'utilisation de cette combinaison de silicium et de carbone dans la revue scientifique Lettres de physique appliquée .

La consommation d'énergie augmente partout dans le monde, et les approvisionnements énergétiques durables tels que l'énergie éolienne et solaire deviennent de plus en plus importants. Pouvoir électrique, cependant, est souvent généré à grande distance du consommateur. Des systèmes de distribution et de transport efficaces sont donc tout aussi cruciaux que les postes de transformation et les convertisseurs de puissance qui transforment le courant continu généré en courant alternatif.

De grosses économies sont possibles

L'électronique de puissance moderne doit être capable de gérer des courants importants et des tensions élevées. Les transistors actuels en matériaux semi-conducteurs pour transistors à effet de champ sont aujourd'hui principalement basés sur la technologie du silicium. Des avantages physiques et chimiques importants, cependant, résultent de l'utilisation de SiC sur silicium :en plus d'une résistance à la chaleur beaucoup plus élevée, ce matériau offre une efficacité énergétique nettement meilleure, ce qui pourrait conduire à des économies massives.

Il est connu que ces avantages sont fortement compromis par des défauts à l'interface entre le carbure de silicium et le matériau isolant en dioxyde de silicium. Ces dommages sont basés sur de minuscules, amas irréguliers d'anneaux de carbone liés dans le réseau cristallin, comme l'ont démontré expérimentalement des chercheurs dirigés par le professeur Thomas Jung de l'Institut suisse des nanosciences et du Département de physique de l'Université de Bâle et de l'Institut Paul Scherrer. En utilisant l'analyse au microscope à force atomique et la spectroscopie Raman, ils ont montré que les défauts sont générés au voisinage de l'interface par le processus d'oxydation.

Confirmé expérimentalement

Les clusters de carbone interférents, qui ne mesurent que quelques nanomètres, sont formés pendant le processus d'oxydation du carbure de silicium en dioxyde de silicium à haute température. "Si on change certains paramètres pendant l'oxydation, nous pouvons influencer l'apparition des défauts, " dit la doctorante Dipanwita Dutta. Par exemple, une atmosphère d'oxyde nitreux dans le processus de chauffage conduit à beaucoup moins de grappes de carbone.

Les résultats expérimentaux ont été confirmés par l'équipe dirigée par le professeur Stefan Gödecker du Département de physique et de l'Institut suisse des nanosciences de l'Université de Bâle. Des simulations informatiques ont confirmé les changements structurels et chimiques induits par les atomes de carbone graphitiques tels qu'observés expérimentalement. Au-delà des expérimentations, un aperçu atomistique a été acquis dans la génération des défauts et leur impact sur le flux d'électrons dans le matériau semi-conducteur.

Mieux utiliser l'électricité

"Nos études fournissent des informations importantes pour stimuler le développement de transistors à effet de champ à base de carbure de silicium. Par conséquent, nous espérons apporter une contribution significative à une utilisation plus efficace de l'énergie électrique, " commente Jung. Le travail a été initié dans le cadre du programme Nano Argovia pour des projets de recherche appliquée.