作爲用於大功率電壓轉換的功率器件，碳化硅（SiC）這種結晶材料備受期待。要想製作控制大功率的功率器件，需要使電流均勻流過SiC晶體，但晶體存在表面，電流會自行流向表面。
日本名古屋工業大學研究生院工學研究科的加藤正史副教授帶領的研究團隊，在不同的溫度和表面狀態下，成功使流向表面的電流實施了量化。
所獲得的表面復合速度的數值可用來對採用SiC的大功率器件進行結構設計。這可使SiC功率器件的設計變得更加容易，有助於削減功率器件的製造成本。降低了製造成本的大功率SiC功率器件有望以低價格投放市場。隨着低價格的大功率SiC功率器件普及，將來還有望削減電力基礎設施的能量消耗。
研究背景
電車和汽車的速度控制，以及送配電系統的電壓轉換均使用半導體元件，即功率器件。作爲製作這種功率器件的新結晶材料，碳化硅（SiC）的應用備受期待。使用SiC晶體的功率器件在部分領域已開始實用化，比如被新一代新幹線採用等，據報告，能量消耗得到了大幅削減。不過，供應電力的電廠等電力基礎設施要使用能轉換更大功率電壓的大功率型功率器件。要想製作這種大功率型功率器件，需要使電流均勻流過SiC晶活體內部，但晶體必然存在表面，在表面復合現象的作用下，電流會自行流向表面（圖1的電子和電洞的運動）。以前，這種流向表面的電流未被量化，功率器件的結構設計比較困難。
圖1：高耐壓SiC功率器件的結構示例。傳輸電流的電子與電洞流向表面，在表面復合現象下，電子和電洞消失，原本要流向功率器件外部的電流也隨之消失。雖然表面復合現象無法避免，但透過將其量化，可以最適化功率元件的結構設計。
研究内容與成果
該研究透過向SiC的各晶體表面（如圖2所示，SiC晶體因其取向的不同而具有不同的表面）照射光，形成了電子和電洞，並在晶體表面測量了電子和電洞的消失速度。然後將該速度與計算模式進行比較，量化了流向表面的電流（圖3縱軸的S，表面復合速度）。另外，還明確了該數值的溫度依賴性以及對晶活體內的傳導類型的依賴性。
圖2：該圖顯示了SiC晶體的結構與表面之間的關係。SiC晶體爲六方晶，呈六角柱結構，六角柱的兩個底面分別爲Si面和C面，側面爲m面，與m面垂直度的面爲a面。
圖3：流向表面的電流實施量化（縱軸的S，表面復合速度）。橫軸爲溫度的倒數。S的值隨着溫度的升高而升高。
論文資訊
題目：Surface recombination velocities for 4H-SiC: temperature dependence and difference in conductivity type at several crystal faces
期刊：《Journal of Applied Physics》
DOI：10.1063/5.0007900
文：JST客觀日本編輯部
