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更高效的半导体材料——碳化硅

日期:2020年4月30日 16:12

在功率电子学中,半导体基于元素硅 - 但碳化硅的能量效率会高得多。巴塞尔大学的物理学家,Paul Scherrer研究所和ABB在科学期刊“应用物理快报”中解释了阻止硅和碳结合使用的原因。

能源消耗在全球范围内不断增长,风能和太阳能等可持续能源供应变得越来越重要。然而,电力通常远离消费者产生。因此,高效的配电和运输系统与将产生的直流电转换成交流电的变电站和电力转换器同样重要。

 

      节省大笔开支

现代电力电子设备必须能够处理大电流和高电压。目前用于场效应晶体管的半导体材料制成的晶体管现在主要基于硅技术。然而,在硅上使用SiC会产生显着的物理和化学优势:除了更高的耐热性外,这种材料还能提供更好的能效,从而节省大量成本。

众所周知,这些优点明显受到碳化硅和绝缘材料二氧化硅之间界面处的缺陷的影响。这种损害是基于结晶在晶格中的微小的不规则的碳环簇,这已经由瑞士纳米科学研究所的Thomas Jung教授和巴塞尔大学物理系以及Paul Scherrer研究所领导的研究人员实验证明。使用原子力显微镜分析和拉曼光谱,他们表明通过氧化过程在界面附近产生缺陷。

实验证实

在高温下在碳化硅到二氧化硅的氧化过程中形成仅几纳米尺寸的干扰碳簇。“如果我们在氧化期间改变某些参数,我们就可以影响缺陷的发生,”博士生Dipanwita Dutta说。例如,加热过程中的一氧化二氮气氛导致显着更少的碳簇。

实验结果得到了巴塞尔大学物理系和瑞士纳米科学研究所StefanGödecker教授领导的团队的证实。计算机模拟证实了实验观察到的石墨碳原子引起的结构和化学变化。除了实验之外,还在缺陷的产生及其对半导体材料中的电子流动的影响方面获得了原子洞察力。

更好地利用电力

“我们的研究为推动基于碳化硅的场效应晶体管的发展提供了重要的见解。因此,我们期望为更有效地使用电力做出重大贡献,”荣格评论道。这项工作是作为Nano Argovia应用研究项目计划的一部分启动的。

 

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