背景
隨著世界各國對(duì)節(jié)能減排的需求越來越迫切，如何降低電子產(chǎn)品的能耗成為當(dāng)今熱門話題之一。近期，筆者也介紹過了眾多有利于降低能耗的新一代電子器件，例如自旋電子器件。
今天，讓我們?cè)賮黻P(guān)注一種對(duì)于節(jié)能來說至關(guān)重要的電子器件：電力電子器件。有了電力電子器件的保證，光伏發(fā)電站或風(fēng)力發(fā)電站產(chǎn)生的電力才能反饋到電網(wǎng)中，火車的牽引單元才可以通過車頂上方的電線來供電，電池產(chǎn)生的電能才能轉(zhuǎn)移到電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車的引擎中。
提升電力電子器件的效率，無疑是一種明顯的節(jié)能途徑。此外，這些電力電子器件也應(yīng)盡少使用電力，避免過多產(chǎn)生熱量，降低對(duì)于復(fù)雜的冷卻系統(tǒng)需求，最終實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)。
目前，主流的電力電子器件由硅（Si）制成。然而，硅電力電子器件的性能正日益趨近其理論極限。通過器件原理的創(chuàng)新、結(jié)構(gòu)的改善及制造工藝的進(jìn)步，很難再大幅度提升其總體性能。這一點(diǎn)成為了制約未來電力電子技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸之一。
如今，科學(xué)家們正在積極探索替代硅的新材料，而目前頗受關(guān)注的就是第三代半導(dǎo)體材料。第三代半導(dǎo)體材料，也稱為寬禁帶半導(dǎo)體材料（禁帶寬度大于2.2eV），主要包括金剛石、氮化鎵、氧化鎵、碳化硅等。
與第一代、第二代半導(dǎo)體材料相比，第三代半導(dǎo)體材料具有禁帶寬度大，電子飽和漂移速度快、介電常數(shù)小、導(dǎo)電性能好等優(yōu)點(diǎn)，更適合于高溫、高頻、抗輻射及大功率的電子器件。第三代半導(dǎo)體的主要應(yīng)用為電力電子器件、半導(dǎo)體照明、激光器和探測器等。
氮化鎵功率放大器（圖片來源：Fraunhofer IAF）
縱向氧化鎵MOSFET（a）截面示意圖與（b）平面視圖光學(xué)顯微圖（圖片來源：NICT）
創(chuàng)新
今天，要重點(diǎn)關(guān)注的是第三代半導(dǎo)體材料：碳化硅（SiC）。
近日，德國埃爾朗根-紐倫堡大學(xué)（FAU）的研究人員開發(fā)出一種簡單精確的方法，它可用于發(fā)現(xiàn)最新一代碳化硅晶體管中的缺陷。未來，這種方法將有利于加速開發(fā)更節(jié)能的晶體管。他們將這項(xiàng)成果發(fā)表在知名期刊《通信物理（Communications Physics）》上。
（圖片來源：FAU/Michael Krieger, Martin Hauck）
技術(shù)
SiC，是由硅和碳組成的化合物。SiC器件能在高壓、高溫、高頻的條件下工作，化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)，能量效率高。它是目前發(fā)展最成熟的寬禁帶半導(dǎo)體材料。世界各國對(duì)SiC的研究都非常重視，國際電子業(yè)巨頭也都紛紛投入巨資發(fā)展碳化硅半導(dǎo)體器件。
由碳化硅制成的電力電子開關(guān)，也稱為場效應(yīng)晶體管，或者簡稱“MOSFET”。MOSFET的工作是基于SiC以及在它上面沉積與生長的氧化硅薄層之間的界面。界面可用于囚禁載流子并減小器件中的電流?？墒牵@個(gè)界面卻讓研究人員面臨重大挑戰(zhàn)：在制造期間，不受歡迎的“缺陷”會(huì)在界面上生成。因此，如果我們想要完全發(fā)掘這種材料的潛力，研究這些缺陷就顯得極為重要。
傳統(tǒng)的測量技術(shù)，通?？紤]的是硅MOSFET器件，所以會(huì)忽略這些缺陷的存在。雖然還有一些其他的測量技術(shù)，但它們更復(fù)雜、更耗時(shí)，要么不適合大規(guī)模使用，要么根本不適合成品元件。正是由于這個(gè)原因，F(xiàn)AU 應(yīng)用物理系的研究人員們才決定集中精力尋找新型的改進(jìn)方案來研究界面缺陷。他們?nèi)〉昧顺晒ΑＫ麄冏⒁獾?，界面缺陷總是遵循相同的模式?/div>
價(jià)值
博士生 Martin Hauck 表示：“我們將這種模式轉(zhuǎn)化為一個(gè)數(shù)學(xué)公式。這個(gè)公式為我們提供了一種在計(jì)算中考慮界面缺陷的更聰明的方法。這不僅為我們帶來更精準(zhǔn)的特殊器件參數(shù)值，例如電子遷移率或者閾值電壓，而且也讓我們能判定界面缺陷的分布與濃度。”
研究人員們的工業(yè)合作伙伴英飛凌科技奧地利公司及其附屬公司為實(shí)驗(yàn)專門設(shè)計(jì)了晶體管。采用這種晶體管進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，證明了這種極其簡單的方法高度精準(zhǔn)。仔細(xì)觀察場效應(yīng)晶體管的內(nèi)核，將改善并縮短創(chuàng)新周期。采用這種方法，這種致力于減少缺陷的工藝，被評(píng)估為“準(zhǔn)確、快速、簡便”的。它也將有利于加速開發(fā)更加節(jié)能的電子器件。
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