对决定SiC功率半导体性能的物理特性值的观察-提出了实现可降低功耗的SiC功率半导体的可能性-

演示要点

〇〇在高质量SiC晶体上测量对超高压功率半导体很重要的载流子寿命
〇使用独特开发的装置观察高激发载流子浓度下的载流子寿命值
〇〇高质量SiC晶体在高激发载流子浓度下比常规值具有更长的载流子寿命，表明高性能SiC功率半导体的可行性，并且安装在电力系统中有望降低功耗

总结

　V体育工学研究科加藤正志副教授和田中一弘（电机工学系博士生二年级生）领导的研究小组测量了决定超高压碳化硅（SiC）功率半导体性能的载流子寿命这一物理特性值（*1）。使用独特开发的设备在高质量 4H-SiC (*2) 晶体上进行测量。结果表明，在高激发载流子浓度下，获得的载流子寿命比常规值更长。这一结果表明，超高压碳化硅功率半导体可以制造出比之前想象的更高的性能，从而降低功耗。
　该研究成果于2023年1月10日发表在《日本应用物理学杂志》上。

研究背景

　SiC功率半导体由于其节能性能，作为火车和其他车辆驱动电机的半导体器件越来越受欢迎。 SiC还使得制造能够承受10kV或更高电压的器件成为可能，这是传统功率半导体无法实现的，预计将用于未来的电力系统。然而，当电压超过 10 kV 时，除非如图 1 所示采用所谓的双极结构（*3）制造 SiC 功率半导体，否则功率损耗将会增加。另一方面，在双极结构的器件中，称为载流子寿命的物理特性值决定了性能。过去已经在 SiC 中测量了载流子寿命，但对高激发载流子浓度下载流子寿命的值知之甚少，这决定了双极结构的极限性能，而且还没有使用特别高质量的 4H-SiC 晶体观察高激发载流子浓度下载流子寿命的例子。

图 1双极碳化硅功率半导体工作原理图

研究内容/结果

　这次，我们使用独特开发的设备在高激发载流子浓度下实现载流子寿命测量，并观察了高质量4H-SiC晶体的载流子寿命。结果证实，即使在高激发载流子浓度下，载流子寿命也相对较长。根据获得的结果，我们估计了决定载流子寿命的因素俄歇复合（*4）系数，并确定了载流子寿命极限对激发载流子浓度的依赖性，如图2所示。结果发现，当激发载流子浓度为5×1018 cm-3或更高时，可以获得比先前认为的极限更长的载流子寿命。

图2从实验结果获得4H-碳化硅

社会意义

　该结果表明，具有注入高浓度激发载流子的结构的双极SiC功率半导体器件可以实现低电阻。因此，人们认为超高压SiC功率半导体器件的性能极限可以比以前想象的更高，这将导致实现可应用于电力系统的低功耗SiC功率半导体器件。

未来发展

　未来，我们将致力于详细的材料评估和器件制造，以实现超高压SiC功率半导体器件。未来，我们的目标是降低使用硅功率半导体器件的电力系统的功耗。

术语表

(※1)功率半导体
控制和转换电力的半导体的总称，特别是可以处理高电压和大电流的半导体。近年来，对能够最大限度地减少电力浪费并有助于节省能源和电力的功率半导体的需求不断增加。

(※２)4H-SiC
SiC有多种晶体结构，但4H-SiC是功率半导体材料最常用的晶体结构。

(*3) 双极结构
利用电子和空穴进行导电的结构。传统的SiC功率半导体具有仅使用电子进行导电的单极结构，但通过创建双极结构，会发生一种称为电子和空穴的电导率调制的现象，从而可以创建具有超高击穿电压和低电阻的器件。

(※4)俄歇重组
这是当受激载流子浓度增加时发生的复合现象，是缩短载流子寿命的一个因素。俄歇复合系数是材料特有的物理性质值，但它对杂质浓度和激发载流子浓度有轻微依赖性，因此需要详细评估才能确定该值，本研究对此进行了研究。

论文信息

论文标题：高注入条件下的4H-SiC俄歇复合系数
作者姓名：Kazuhiro Tanaka、Keisuke Nagaya 和 Masashi Kato
期刊名称：日本应用物理杂志 (2022)
发布日期：2023 年 1 月 10 日
DOI：1035848/1347-4065/acaca8

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