流向功率器件材料 SiC 表面的电流的量化

演示要点

〇〇我们成功测量了功率器件材料碳化硅（SiC）表面的电流。
〇​通过量化流向表面的电流，我们使 SiC 功率器件的设计变得更加容易。
〇〇 SiC功率器件的价格降低和广泛使用有望降低电力基础设施的功耗。

摘要

　碳化硅（SiC）（*2）预计将被采用作为用于高功率电压转换的功率器件（*1）。为了制造控制大功率的功率器件，需要使电流均匀地流过SiC晶体，但晶体总是有一个表面，电流会在未经许可的情况下流向表面。由我校工程研究生院副教授 Masashi Kato 领导的一个研究小组成功地量化了在不同温度和表面条件下流向该表面的电流。这一价值有利于SiC功率器件的设计，并导致SiC功率器件的价格更低。

研究背景

　功率器件是半导体元件，用于控制火车和汽车的速度，以及在输配电系统中转换电压。碳化硅（SiC）有望用作制造此类功率器件的新型晶体材料。使用SiC晶体的功率器件已经开始在一些领域投入实际应用，例如下一代新干线列车，并且据报道可以显着降低功耗。然而，电力基础设施（例如从发电厂传输的电力）需要将更大量的电力转换为电压的大功率电力设备。为了制造这样的高功率功率器件，需要在SiC晶体内部均匀地流动电流，但晶体总是有一个表面，并且由于称为表面复合的现象，电流自动流向表面（参见图1中电子和空穴的运动（*3））。传统上，流向表面的电流尚未被量化，这使得功率器件的结构设计变得困难。

研究内容/结果

　在这项研究中，我们通过光照射在各种SiC晶体表面（SiC晶体根据其取向而具有不同的表面，如图2所示）产生电子和空穴，并测量了电子和空穴在这些表面上消失的速度。通过将速度与计算模型进行比较，我们量化了流向表面的电流（图 3 中垂直轴上的 S（表面复合速度））。我们还阐明了该值对温度和晶体内导电类型的依赖性。

社会意义

　获得的表面复合率值可用于SiC大功率功率器件的结构设计。因此，SiC功率器件的设计变得更加容易，从而降低了功率器件的制造成本。

未来发展

　制造成本降低的高功率SiC功率器件预计将以更低的价格在市场上销售。低成本、高功率SiC功率器件的普及将使未来电力基础设施的功耗降低成为可能。

术语表

(*1) 功率器件：可以流过或阻止大电流的半导体元件。指允许电流和电压较大的二极管和晶体管。
(*2) 碳化硅(SiC)：一种半导体材料，是硅和碳的化合物。使用SiC可以制造比传统半导体材料Si具有更高性能的功率器件。另一方面，也存在材料价格低、制造良率低、成本高等问题。
(*3) 电子和空穴：在半导体中携带电流的粒子。

论文信息

论文标题：“4H-SiC 的表面复合速度：温度依赖性和多个晶面导电类型的差异”
作者姓名：加藤正史等人
出版杂志名称：Journal of Applied Chemistry
发布日期：2020 年 5 月 15 日
DOI：　10.1063/5.0007900
网址：　

图 1：高压 SiC 功率器件结构示例。携带电流的电子和空穴流向表面，由于表面复合现象而消失，原本要流到功率器件外部的电流也随之消失。虽然表面复合现象不可避免，但通过对其进行量化，我们可以优化功率器件结构的设计。

图2：显示SiC晶体结构与表面之间关系的图。 SiC晶体具有六棱柱结构，六棱柱的底面为Si面和C面，侧面为m面，与m面垂直的面为a面。




图3：表面电流的量化（纵轴上的S：表面复合速度）。横轴是温度的倒数。随着温度升高，S 值增大。

联系信息

研究相关事宜

V体育工学研究生院电气机械工程系
加藤正史副教授
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电子邮件：katomasashi[at]nitechacjp

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