導讀
近日，德國埃爾朗根-紐倫堡大學的研究人員開發出一種簡單精確的方法，它可用於發現最新一代碳化硅晶體管中的缺陷。未來，這種方法將有利於加速開發更節能的晶體管。背景
隨著世界各國對節能減排的需求越來越迫切，如何降低電子產品的能耗成為當今熱門話題之一。近期，筆者也介紹過了眾多有利於降低能耗的新一代電子器件，例如自旋電子器件。
今天，讓我們再來關注一種對於節能來說至關重要的電子器件：電力電子器件。有了電力電子器件的保證，光伏發電站或風力發電站產生的電力才能反饋到電網中，火車的牽引單元才可以通過車頂上方的電線來供電，電池產生的電能才能轉移到電動和混合動力汽車的引擎中。
提升電力電子器件的效率，無疑是一種明顯的節能途徑。此外，這些電力電子器件也應盡少使用電力，避免過多產生熱量，降低對於複雜的冷卻系統需求，最終實現節能目標。
目前，主流的電力電子器件由硅（Si）製成。然而，硅電力電子器件的性能正日益趨近其理論極限。通過器件原理的創新、結構的改善及製造工藝的進步，很難再大幅度提升其總體性能。這一點成為了制約未來電力電子技術進一步發展的瓶頸之一。
如今，科學家們正在積極探索替代硅的新材料，而目前頗受關注的就是第三代半導體材料。第三代半導體材料，也稱為寬禁帶半導體材料（禁帶寬度大於2.2eV），主要包括金剛石、氮化鎵、氧化鎵、碳化硅等。
與第一代、第二代半導體材料相比，第三代半導體材料具有禁帶寬度大，電子飽和漂移速度快、介電常數小、導電性能好等優點，更適合於高溫、高頻、抗輻射及大功率的電子器件。第三代半導體的主要應用為電力電子器件、半導體照明、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）平面視圖光學顯微圖（圖片來源：NICT）
創新
今天，要重點關注的是第三代半導體材料：碳化硅（SiC）。
近日，德國埃爾朗根-紐倫堡大學（FAU）的研究人員開發出一種簡單精確的方法，它可用於發現最新一代碳化硅晶體管中的缺陷。未來，這種方法將有利於加速開發更節能的晶體管。他們將這項成果發表在知名期刊《通信物理（Communications Physics）》上。
（圖片來源：FAU/Michael Krieger, Martin Hauck）
技術
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，化學穩定性強，能量效率高。它是目前發展最成熟的寬禁帶半導體材料。世界各國對SiC的研究都非常重視，國際電子業巨頭也都紛紛投入巨資發展碳化硅半導體器件。
由碳化硅製成的電力電子開關，也稱為場效應晶體管，或者簡稱“MOSFET”。MOSFET的工作是基於SiC以及在它上面沉積與生長的氧化硅薄層之間的界面。界面可用於囚禁載流子並減小器件中的電流。可是，這個界面卻讓研究人員面臨重大挑戰：在製造期間，不受歡迎的“缺陷”會在界面上生成。因此，如果我們想要完全發掘這種材料的潛力，研究這些缺陷就顯得極為重要。
傳統的測量技術，通常考慮的是硅MOSFET器件，所以會忽略這些缺陷的存在。雖然還有一些其他的測量技術，但它們更復雜、更耗時，要麼不適合大規模使用，要麼根本不適合成品元件。正是由於這個原因，FAU 應用物理系的研究人員們才決定集中精力尋找新型的改進方案來研究界面缺陷。他們取得了成功。他們注意到，界面缺陷總是遵循相同的模式。
價值
博士生 Martin Hauck 表示：“我們將這種模式轉化為一個數學公式。這個公式為我們提供了一種在計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的特殊器件參數值，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佈與濃度。”
研究人員們的工業合作伙伴英飛凌科技奧地利公司及其附屬公司為實驗專門設計了晶體管。採用這種晶體管進行的實驗，證明了這種極其簡單的方法高度精準。仔細觀察場效應晶體管的內核，將改善並縮短創新週期。採用這種方法，這種致力於減少缺陷的工藝，被評估為“準確、快速、簡便”的。它也將有利於加速開發更加節能的電子器件。
關鍵字
碳化硅、晶體管、半導體【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
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