Carbure de silicium (SiC), un matériau polyvalent et résistant qui existe sous de multiples formes cristallines, a attiré beaucoup d'attention grâce à ses propriétés électroniques uniques. De son utilisation dans les premiers appareils LED, à ses applications dans les appareils haute tension à faibles pertes de puissance, Le SiC affiche un comportement de semi-conducteur exceptionnel. Jusque là, les tensions de fonctionnement des appareils SiC unipolaires sont inférieures à 3,3 kV. Bien qu'utile pour les systèmes électroniques des voitures, les trains, et appareils électroménagers, les appareils à base de SiC unipolaire ne peuvent pas être utilisés dans les systèmes de production et de distribution d'électricité, qui fonctionnent à des tensions supérieures à 10 kV.

Certains chercheurs pensent que la solution à cette énigme réside dans les dispositifs SiC bipolaires, qui offrent une faible résistance à l'état passant (et donc des pertes plus faibles) grâce à la modulation de la conductivité. Cependant, l'effet de modulation de conductivité est étroitement lié à la durée de vie des porteurs de charge excités dans le semi-conducteur; des durées de vie plus longues des porteurs dans l'épaisse couche de blocage de tension des dispositifs SiC entraînent une modulation accrue. D'autre part, des durées de vie des porteuses trop longues augmentent les pertes de commutation, et ce compromis doit être équilibré de manière appropriée en contrôlant avec précision la distribution des durées de vie des porteurs dans le semi-conducteur.

Malheureusement, la plupart des techniques disponibles pour mesurer la distribution de durée de vie des porteurs d'un semi-conducteur sont destructives; l'échantillon doit être découpé pour que sa section soit analysée. Cela a motivé une équipe de recherche du Japon, dirigé par le professeur agrégé Masashi Kato du Nagoya Institute of Technology, se concentrer sur l'amélioration de l'une des deux méthodes non destructives existantes :l'absorption de porteurs libres à résolution temporelle avec des lumières intersectionnelles (IL-TRFCA). Dans leur nouvelle étude publiée dans Examen des instruments scientifiques , les chercheurs présentent quelques changements percutants apportés à cette technique (dont ils avaient déjà été les pionniers) ainsi que des résultats très prometteurs.

La méthode IL-TRFCA consiste essentiellement en une excitation laser, qui crée des porteurs photoexcités et une sonde laser plus un détecteur, qui mesurent leur durée de vie. En pointant les deux lasers sur les bords d'un objectif, ils sont amenés à converger à la surface de l'échantillon avec des angles d'incidence opposés. Puis, l'échantillon est déplacé vers la lentille par pas micrométriques, ce qui fait que les lasers d'excitation et de sonde ne se coupent pas à la surface de l'échantillon, mais dans des régions de plus en plus profondes. De cette façon, les scientifiques ont réussi à mesurer la distribution des durées de vie des porteurs au sein de l'échantillon sans avoir besoin de le couper.

Deux changements substantiels que les chercheurs ont apportés à la méthode IL-TRFCA ont été l'adoption d'un angle d'incidence plus grand de 34° (34 degrés) pour les deux lasers et une ouverture numérique plus élevée dans l'objectif et le détecteur. Ces modifications ont permis d'améliorer la résolution en profondeur et ont également permis d'utiliser l'IL-TRFCA dans des couches de SiC plus épaisses. Enthousiasmé par les résultats, Remarques du Dr Kato, "Notre approche non destructive de mesure de la distribution des durées de vie des porteurs permet de déterminer la non-uniformité d'un matériau sans détruire l'échantillon, qui peut ensuite être utilisé pour fabriquer des appareils, et rechercher et développer la technologie SiC bipolaire, comme les diodes haute tension et les transistors."

Disposer de techniques de mesures appropriées est l'un des facteurs les plus essentiels de la recherche sur les matériaux, et IL-TRFCA pourraient facilement ouvrir la voie à l'étude - et finalement à l'adoption - du SiC dans les applications à très haute tension. À cet égard, Commentaires du Dr Kato, « Les dispositifs SiC peuvent fonctionner avec une consommation d'énergie inférieure à celle des semi-conducteurs conventionnels, et leur commercialisation pourrait entraîner une réduction substantielle de la consommation d'énergie dans les systèmes électriques à travers le monde. À son tour, cela pourrait atténuer les graves menaces environnementales telles que l'accumulation de gaz à effet de serre. »

Maintenant que les outils sont disposés, il est temps d'approfondir la façon dont les distributions de durée de vie des porteurs peuvent être réglées dans le SiC épais et d'autres semi-conducteurs. Espérons que cela nous mènera à des appareils plus efficaces et à un avenir plus respectueux de l'environnement !