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科学家阐明了半导体退化机制

名古屋工业大学(NITech)的科学家和的合作大学对电子器件中使用的半导体材料退化机制有了新的认识。通过强调材料如何降解的具体科学,他们正在为可能阻止材料性能下降的潜在发现开辟道路。

该研究发表在2018年9月的应用物理杂志上。科学家们使用碳化硅(SiC)材料进行实验。SiC正成为电子器件标准半导体材料的更受欢迎的替代品。该研究基于特定类型的SiC材料,其特征在于其结构或4H-SiC。该材料暴露于光致发光以及各种温度,作为产生导致SiC基器件退化的特定种类变形的手段。科学家们能够观察到这些变形实际上是如何在原子水平上发生的。

“我们量化了电荷粒子在原子结构缺陷的4H-SiC材料区域内移动的速度。这将有助于发现抑制基于SiC的器件(如电力电子系统)退化的方法,”博士说。 Masato Kato,NITech材料科学前沿研究所副教授。为了更好地理解导致降解的原子变形背后的实际机制,研究人员使用光致发光来诱导电荷粒子的运动并测量发生的速度。他们寻找可能限制粒子运动的特定因素,包括使用的材料。他们还测试了温度升高的影响,特别是要查看更高的温度是否会增加或减少变形率。

根据加藤博士的说法,导致材料降解的特殊原子变形的存在对于基于SiC的功率器件尤其成问题。“当一种特殊的SiC基器件运行时,材料的原子会发生变形,从而导致降解。这些原子变形的过程尚不清楚。然而,众所周知,电荷的运动在材料以及材料已经变成缺陷的区域已经导致上述原子变形,“他说。

到目前为止,其他研究人员已经进行了类似的实验,已经报道的结果并不一致。这里,光致发光实验的结果表明,单个肖克利堆垛层错(1SSFs)和部分位错(PDs)中的载流子复合比4H-SiC中没有1SSFs的区域更快。这种快速重组将引起具有1SSF的装置的降解。此外,1SSF膨胀速度也随温度升高而增加。因此,它们为围绕基于SiC的器件退化减缓的研究铺平了道路。反过来,这可能会导致更高质量和更耐用的设备。在这些方面,作者表示,他们未来的研究工作将集中在寻找防止SiC器件降级的方法,以及创造不会随着时间的推移而磨损的器件。

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