作为用于大功率电压转换的功率器件，碳化硅（SiC）这种晶体材料备受期待。要想制作控制大功率的功率器件，需要使电流均匀流过SiC晶体，但晶体存在表面，电流会自行流向表面。
日本名古屋工业大学研究生院工学研究科的加藤正史副教授带领的研究团队，在不同的温度和表面状态下，成功使流向表面的电流实现了量化。
所获得的表面复合速度的数值可用来对采用SiC的大功率器件进行结构设计。这可使SiC功率器件的设计变得更加容易，有助于削减功率器件的制造成本。降低了制造成本的大功率SiC功率器件有望以低价格投放市场。随着低价格的大功率SiC功率器件普及，将来还有望削减电力基础设施的耗电量。
研究背景
电车和汽车的速度控制，以及送配电系统的电压转换均使用半导体元件，即功率器件。作为制作这种功率器件的新晶体材料，碳化硅（SiC）的应用备受期待。使用SiC晶体的功率器件在部分领域已开始实用化，比如被新一代新干线采用等，据报告，耗电量得到了大幅削减。不过，供应电力的发电站等电力基础设施要使用能转换更大功率电压的大功率型功率器件。要想制作这种大功率型功率器件，需要使电流均匀流过SiC晶体内部，但晶体必然存在表面，在表面复合现象的作用下，电流会自行流向表面（图1的电子和空穴的运动）。以前，这种流向表面的电流未被量化，功率器件的结构设计比较困难。
图1：高耐压SiC功率器件的结构示例。传输电流的电子与空穴流向表面，在表面复合现象下，电子和空穴消失，原本要流向功率器件外部的电流也随之消失。虽然表面复合现象无法避免，但通过将其量化，可以优化功率元件的结构设计。
研究内容与成果
该研究通过向SiC的各晶体表面（如图2所示，SiC晶体因其取向的不同而具有不同的表面）照射光，形成了电子和空穴，并在晶体表面测量了电子和空穴的消失速度。然后将该速度与计算模型进行比较，量化了流向表面的电流（图3纵轴的S，表面复合速度）。另外，还明确了该数值的温度依赖性以及对晶体内的传导类型的依赖性。
图2：该图显示了SiC晶体的结构与表面之间的关系。SiC晶体为六方晶，呈六角柱结构，六角柱的两个底面分别为Si面和C面，侧面为m面，与m面垂直的面为a面。
图3：流向表面的电流实现量化（纵轴的S，表面复合速度）。横轴为温度的倒数。S的值随着温度的升高而升高。
论文信息
题目：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客观日本编辑部
