更高效的半導體材料——碳化硅

在功率電子學中，半導體基于元素硅 - 但碳化硅的能量效率會高得多。巴塞爾大學的物理學家，Paul Scherrer研究所和ABB在科學期刊“應用物理快報”中解釋了阻止硅和碳結合使用的原因。

能源消耗在全球范圍內(nèi)不斷增長，風能和太陽能等可持續(xù)能源供應變得越來越重要。然而，電力通常遠離消費者產(chǎn)生。因此，高效的配電和運輸系統(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)代電力電子設備必須能夠處理大電流和高電壓。目前用于場效應晶體管的半導體材料制成的晶體管現(xiàn)在主要基于硅技術。然而，在硅上使用SiC會產(chǎn)生顯著的物理和化學優(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)由瑞士納米科學研究所的Thomas Jung教授和巴塞爾大學物理系以及Paul Scherrer研究所領導的研究人員實驗證明。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。

實驗證實

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?！叭绻覀冊谘趸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。例如，加熱過程中的一氧化二氮氣氛導致顯著更少的碳簇。

實驗結果得到了巴塞爾大學物理系和瑞士納米科學研究所StefanGdecker教授領導的團隊的證實。計算機模擬證實了實驗觀察到的石墨碳原子引起的結構和化學變化。除了實驗之外，還在缺陷的產(chǎn)生及其對半導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，”榮格評論道。這項工作是作為Nano Argovia應用研究項目計劃的一部分啟動的。