Introduction on My Current Research Interest

Albert Shihchun Lin, National Chiao‐Tung University, Hsinchu, Taiwan

8/18/2016NCTUEE 1

Biography 

8/18/2016NCTUEE 2

http://albertlin.weebly.com/

Nano‐photonics 

Device Simulation

8/18/2016NCTUEE 3

Current Research Interest

Optoelectronics Devices

Device Process

Power devices are fundamental components (switch, rectifier) for power converters which have wide applications and are indispensable in electrical products.

Power Devices, Circuits and Applications 

Sensor

Actuator • The PicoCube is a 1 cm3 sensor node using harvested energy as its source of power.

• Combines advanced ultra‐low power circuit techniques with system‐level power management.

• Represents an integrated approach to the design of nodes for wireless sensor networks.

sensors

Powering & Power management

Power source

Power devices in “Internet of things (IoT)” technology‐Enabling operation of CMOS low voltage processor, embedded memory and sensor/actuator 

system in IoT devices from micro‐battery, energy‐harvesting source, or AC power line via enhancing power conversion efficiency and power management capabilities.   

*IoT device  *Example: PicoCube sensor 

Visions & Driving Forces for Power Devices 

*More than Moore White Paper, ITRS

Visions & Driving Forces for Power Devices Power devices in Green technology‐Entire electrical energy “ food chain” from generation via distribution to consumption, in all 

segments power device are required and as keys to against pollution and fuel consumption by enabling more renewable energy source and saving more energy loss. 

*Example:  Smart City Applications (smart grid, solar/wind turbine inverter, E‐car powering, smart lighting..)

*Source: Infineon

Conversion Efficiency and Operating Area Improvement• Reduced losses (switching and conduction)• Higher Voltage• Higher Current• Higher Frequency

Lighter cooling systems• Higher thermal conductivity

Reduced volume and weight• Higher integration• Smaller passive components (higher frequency)

Devices Requirements & Evolutions in Power Electronics

*Structure evolution of  Si devices

*Material evolution : Si  SiC & GaN

FOM

GaNGaN

SiC

Si

Breakdown Voltage @different pillar length(D)Super Junction MOSFET structure breaks the trade‐off  between breakdown voltage and on‐resistance(Ron). High breakdown voltage due to charge 

compensation in the N‐ and P‐pillar layer. Low on‐resistance (reduced losses) due to highly 

doped N‐pillar layer.

D=10um

D=30um

D=50um

Doping con. Doping con. Doping con.

Power Device‐ Super Junction DMOS

Ic‐Vc@different Vg

300K(solid)425K(dash)

Ic‐Vg

Breakdown @Vg=0V Power dissipation @switching

Power Device‐ ‐ IGBTIGBT structure has switching and conduction characteristics of a bipolar transistor but is voltage‐controlled like a MOSFET.

TA↑

CHW↑ D↑

Power Device‐ SiC IGBTSiC has wider band gap(3x) and higher critical E‐field (10x) than Si and leads to higher breakdown voltage.

Power dissipation in GaN HEMT

Circuit voltage behaviors of boost converter 

Power Device‐ GaN DC Boost Converter Circuit GaN/AlGaN high‐electron mobility 

transistors(HEMT) are well suited as switching elements due to high mobility and breakdown field.

Mix‐mode simulation to investigate device‐circuit interactions.

Description to Drift‐Diffusion Model for IBSC

8/18/2016NCTUEE 12

Illustration of the prototype intermediate band solar cell device structure and energy band diagram.

)fNpnN(Nqψεεr IDA0

nrCICVICVCn RRRGGqJ

nrIVCVVIVCp RRRGGqJ

Where  is electrostatic potential, n and p are electron and hole concentration. f is the filling of the intermediate band. NI is the IB density of states. 

Effect of charge in intermediate band

This cannot be simply incorporated into existing drift‐diffusion model

Lightly Doped Case

8/18/2016NCTUEE 13

-0.5 0 0.5 1 1.5-2

-1

0

1

2

x(m)

Ene

rgy

(eV

)

EFV

EI

EFI

EFCEC

EV

-0.5 0 0.5 1 1.5100

1010

1020

1030

x(m)

(cm

-1s-1

)

RCVRCIRIV

-0.5 0 0.5 1 1.51020

1021

1022

x(m)

(cm

-1s-1

)

GVCGICGVI

• EFI is significantly below EI , predicted high efficiency may not be achievable in practice unless Asymmetric optical absorption 

cross section  efficient field emission or 

thermionic field emission exist between IB and CB. 

• The band diagram deviate from conventional p‐i‐n (p‐‐n,n p‐ ‐n) type picture, resulting from the charge in the intermediate band

VC =IC = VI = 104 cm-1, EG = 1.95 eV, EI= 1.24 eV n = h = 100 cm2/Vs, W= 1 m, NI = 1018 cm-3 and NA (p-emitter)=ND (n-emitter)= 1018 cm-3

Periodic Grating Structure

8/18/2016NCTUEE 14Electric field profile for cells with periodic grating couplers

0)()( 22 rErE zz

• For λ = 400 nm, the incoming wave decays rapidly in device

• For λ = 1000 nm, wave bounces back and forth

Helmholtz equation is solved for E‐field

Surface Plasmon Photovoltaics

8/18/2016NCTUEE 15

hν hνhν

Using Surface Plasmon to increase solar cell photonic property

Waveguiding, slow light, slow Bloch mode, and energy transfer

Eigen modeField Profile

Ag

Ag AgAg

Ag

Ag

Ag

Ag Ag AgAg Ag

Ag Ag

Ag

8/18/2016NCTUEE 16

Device Processing

-0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

AZO nanowires length= 1 m

Curr

ent d

ensi

ty (m

A/cm

2 )

Voltage (V)

AZO NW solar cell, t-Si=25nm

AZO NW solar cell, t-Si=50nm

AZO NW solar cell, t-Si=100nm

AZO NW solar cell, t-Si=150nm

AZO NW solar cell, t-Si=200nm

AZO NW solar cell, t-Si=250nm

baseline planar cell, t-Si=150nm

8/18/2016NCTUEE 17

Device Processing

17

Molecular Beam Epitaxy Pulsed Laser Deposition

TargetSubstrate

TargetAssy

SubstrateAssy

LaserPort

EffusionCells

(Zn, etc)

Plasma source for

oxygen Cryopanel Substrate

To BufferChamber

Shutters

Beam flux

RHEED Gun

RHEED Screen

8/18/2016NCTUEE 18

Theoretical and Process in parallel

Quantum Mechanics, Classical 

Electrodynamics

Device Physics, Opto‐electronic 

DevicesTraining on NDL 

Facility

Device Process and 

Characterization

Device Simulation (SentaurusDevices)

Photonics Simulation (PC Bandstructure, 

etc)

Road‐Map for Incoming Master 

Students

8/18/2016NCTUEE 19

Direct PhD ,  and my first PhD student傅思銘(Sze‐Ming Fu)

Excellent IIT exchange student

Direct PhD, great theorist 

Graduate in 1 year, process integration TSMC

8/18/2016NCTUEE 20

Thank you and Welcome your visit!

Office:    ED503 Phone:   0921755140Email:     hdtd5746@gmail.comLab:  ED630