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，風(fēng)能和太陽能等可持續(xù)能源供應(yīng)變得越來越重要。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會產(chǎn)生顯著的物理和化學(xué)優(yōu)勢：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，他們表明通過氧化過程在界面附近產(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程中形成僅幾納米尺寸的干擾碳簇。“如果我們在氧化期間改變某些參數(shù)，我們就可以影響缺陷的發(fā)生，”博士生Dipanwita Dutta說。例如，加熱過程中的一氧化二氮?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)生及其對半導(dǎo)體材料中的電子流動的影響方面獲得了原子洞察力。

更好地利用電力

“我們的研究為推動基于碳化硅的場效應(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)劃的一部分啟動的。