发现碳化硅晶体管中的缺陷：电力电子器件有望变得更节能！

背景

随着世界各国对节能减排的需求越来越迫切，如何降低电子产品的能耗成为当今热门话题之一。近期，笔者也介绍过了众多有利于降低能耗的新一代电子器件，例如自旋电子器件。

今天，让我们再来关注一种对于节能来说至关重要的电子器件：电力电子器件。有了电力电子器件的保证，光伏发电站或风力发电站产生的电力才能反馈到电网中，火车的牵引单元才可以通过车顶上方的电线来供电，电池产生的电能才能转移到电动和混合动力汽车的引擎中。

提升电力电子器件的效率，无疑是一种明显的节能途径。此外，这些电力电子器件也应尽少使用电力，避免过多产生热量，降低对于复杂的冷却系统需求，最终实现节能目标。

目前，主流的电力电子器件由硅（Si）制成。然而，硅电力电子器件的性能正日益趋近其理论极限。通过器件原理的创新、结构的改善及制造工艺的进步，很难再大幅度提升其总体性能。这一点成为了制约未来电力电子技术进一步发展的瓶颈之一。

如今，科学家们正在积极探索替代硅的新材料，而目前颇受关注的就是第三代半导体材料。第三代半导体材料，也称为宽禁带半导体材料（禁带宽度大于2.2eV），主要包括金刚石、氮化镓、氧化镓、碳化硅等。

与第一代、第二代半导体材料相比，第三代半导体材料具有禁带宽度大，电子饱和漂移速度快、介电常数小、导电性能好等优点，更适合于高温、高频、抗辐射及大功率的电子器件。第三代半导体的主要应用为电力电子器件、半导体照明、激光器和探测器等。

氮化镓功率放大器（图片来源：Fraunhofer IAF）

纵向氧化镓MOSFET（a）截面示意图与（b）平面视图光学显微图（图片来源：NICT）

创新

今天，要重点关注的是第三代半导体材料：碳化硅（SiC）。

近日，德国埃尔朗根-纽伦堡大学（FAU）的研究人员开发出一种简单精确的方法，它可用于发现最新一代碳化硅晶体管中的缺陷。未来，这种方法将有利于加速开发更节能的晶体管。他们将这项成果发表在知名期刊《通信物理（Communications Physics）》上。

（图片来源：FAU/Michael Krieger, Martin Hauck）

技术

SiC，是由硅和碳组成的化合物。SiC器件能在高压、高温、高频的条件下工作，化学稳定性强，能量效率高。它是目前发展最成熟的宽禁带半导体材料。世界各国对SiC的研究都非常重视，国际电子业巨头也都纷纷投入巨资发展碳化硅半导体器件。

由碳化硅制成的电力电子开关，也称为场效应晶体管，或者简称“MOSFET”。MOSFET的工作是基于SiC以及在它上面沉积与生长的氧化硅薄层之间的界面。界面可用于囚禁载流子并减小器件中的电流。可是，这个界面却让研究人员面临重大挑战：在制造期间，不受欢迎的“缺陷”会在界面上生成。因此，如果我们想要完全发掘这种材料的潜力，研究这些缺陷就显得极为重要。

传统的测量技术，通常考虑的是硅MOSFET器件，所以会忽略这些缺陷的存在。虽然还有一些其他的测量技术，但它们更复杂、更耗时，要么不适合大规模使用，要么根本不适合成品元件。正是由于这个原因，FAU 应用物理系的研究人员们才决定集中精力寻找新型的改进方案来研究界面缺陷。他们取得了成功。他们注意到，界面缺陷总是遵循相同的模式。

价值

博士生 Martin Hauck 表示：“我们将这种模式转化为一个数学公式。这个公式为我们提供了一种在计算中考虑界面缺陷的更聪明的方法。这不仅为我们带来更精准的特殊器件参数值，例如电子迁移率或者阈值电压，而且也让我们能判定界面缺陷的分布与浓度。”

研究人员们的工业合作伙伴英飞凌科技奥地利公司及其附属公司为实验专门设计了晶体管。采用这种晶体管进行的实验，证明了这种极其简单的方法高度精准。仔细观察场效应晶体管的内核，将改善并缩短创新周期。采用这种方法，这种致力于减少缺陷的工艺，被评估为“准确、快速、简便”的。它也将有利于加速开发更加节能的电子器件。

参考资料

【1】https://www.fau.eu/2019/01/10/news/research/saving-energy-by-taking-a-close-look-inside-transistors/

【2】https://www.nature.com/articles/s42005-018-0102-8