更高效的半導(dǎo)體材料——碳化硅

在功率電子學(xué)中，半導(dǎo)體基于元素硅 - 但碳化硅的能量效率會(huì)高得多。巴塞爾大學(xué)的物理學(xué)家，Paul Scherrer研究所和ABB在科學(xué)期刊“應(yīng)用物理快報(bào)”中解釋了阻止硅和碳結(jié)合使用的原因。

能源消耗在全球范圍內(nèi)不斷增長(zhǎng)，風(fēng)能和太陽(yáng)能等可持續(xù)能源供應(yīng)變得越來(lái)越重要。然而，電力通常遠(yuǎn)離消費(fèi)者產(chǎn)生。因此，高效的配電和運(yùn)輸系統(tǒng)與將產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換成交流電的變電站和電力轉(zhuǎn)換器同樣重要。

節(jié)省大筆開支

現(xiàn)代電力電子設(shè)備必須能夠處理大電流和高電壓。目前用于場(chǎng)效應(yīng)晶體管的半導(dǎo)體材料制成的晶體管現(xiàn)在主要基于硅技術(shù)。然而，在硅上使用SiC會(huì)產(chǎn)生顯著的物理和化學(xué)優(yōu)勢(shì)：除了更高的耐熱性外，這種材料還能提供更好的能效，從而節(jié)省大量成本。

眾所周知，這些優(yōu)點(diǎn)明顯受到碳化硅和絕緣材料二氧化硅之間界面處的缺陷的影響。這種損害是基于結(jié)晶在晶格中的微小的不規(guī)則的碳環(huán)簇，這已經(jīng)由瑞士納米科學(xué)研究所的Thomas Jung教授和巴塞爾大學(xué)物理系以及Paul Scherrer研究所領(lǐng)導(dǎo)的研究人員實(shí)驗(yàn)證明。使用原子力顯微鏡分析和拉曼光譜，他們表明通過(guò)氧化過(guò)程在界面附近產(chǎn)生缺陷。

實(shí)驗(yàn)證實(shí)

在高溫下在碳化硅到二氧化硅的氧化過(guò)程中形成僅幾納米尺寸的干擾碳簇?！叭绻覀?cè)谘趸陂g改變某些參數(shù)，我們就可以影響缺陷的發(fā)生，”博士生Dipanwita Dutta說(shuō)。例如，加熱過(guò)程中的一氧化二氮?dú)夥諏?dǎo)致顯著更少的碳簇。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到了巴塞爾大學(xué)物理系和瑞士納米科學(xué)研究所StefanGdecker教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)的證實(shí)。計(jì)算機(jī)模擬證實(shí)了實(shí)驗(yàn)觀察到的石墨碳原子引起的結(jié)構(gòu)和化學(xué)變化。除了實(shí)驗(yàn)之外，還在缺陷的產(chǎn)生及其對(duì)半導(dǎo)體材料中的電子流動(dòng)的影響方面獲得了原子洞察力。

更好地利用電力

“我們的研究為推動(dòng)基于碳化硅的場(chǎng)效應(yīng)晶體管的發(fā)展提供了重要的見解。因此，我們期望為更有效地使用電力作出重大貢獻(xiàn)，”榮格評(píng)論道。這項(xiàng)工作是作為Nano Argovia應(yīng)用研究項(xiàng)目計(jì)劃的一部分啟動(dòng)的。