SiC – the Material for Energy-Saving Power Electronics
- Reference number
- EM11-0034
- Start and end dates
- 120201-171231
- Amount granted
- 15 869 000 SEK
- Administrative organization
- Linköping University
- Research area
- Materials Science and Technology
Summary
SiC has the potential to replace current materials in most low- and high-frequency power devices, once the materials problems have been mastered. SiC-based power electronics will dramatically reduce power losses in most distribution and generation systems for electrical energy as well as in electrical motors. This project is a focused effort on solving critical material related issues in SiC power electronics. Since the substrate materials in recent years have been improved the epitaxy is now a limiting issue. The project is based on the long and successful development of SiC materials at LiU, and will involve several experienced researchers active in experiments, modeling and theory. The main activities will be: Understanding and control of carrier lifetime limiting defects in SiC Characterisation and identification of device-critical epitaxial defects Investigation of novel alternative gate dielectrics Development of on-axis epitaxy for power device applications Development of Cl-based epitaxy for high growth rates Solving these issues and demonstrating a significant development of the SiC epitaxial growth will enable SiC-based, energy-saving power electronics for future use in power distribution and in connecting renewable distributed energy sources to the power grid as well as for hybrid vehicles. We have strong and well-established collaborations with device groups, both within Sweden and internationally.
Popular science description
Den globala strömförbrukningen är ständigt ökande och olika metoder att spara el måste utvecklas. En närmare analys ger att den största delen av strömmen förbrukas vid en spänning på ett par hundra volt till flera tusen volt. Dessutom förbrukas ca 50% av all ström i någon form av motor. De andra stora förbrukarna är hushållselektronik, belysning, samt värme och kyla. Kiselkarbid (SiC) har unika egenskaper som gör det ytterligt väl lämpat för elektroniska kraftkomponenter som kan hantera höga spänningar och stora strömmar. Det är framförallt de elektriska förlusterna då komponenterna slår från ledande till icke ledande tillstånd som är mycket låga för SiC. Dessutom kan SiC komponenter slås på och av mycket snabbt vilket har stor betydelse för en rad viktiga tillämpningar. Det är framförallt vid spänningar på ca 300 V och högre som de stora fördelarna med SiC blir uppenbara vilket perfekt matchar de spänningar där förbrukningen är som störst. Tack vare de gynnsamma egenskaperna hos SiC kan elektriska komponenter och kretsar byggas som är mycket mer effektiva samt mindre och lättare än dagens Si-baserade kraftelektronik. De tillämpningar som kommer främst på tal är högspänd DC kraftöverföring, inverterare för att ansluta solpaneler till nätet, omvandlare för vindkraftverk, hybridbilar samt styrning av motorer. I samtliga fall kan elektroniken göras betydligt effektivare, mindre och lättare. De problem som kvarstår innan SiC blir allmänt accepterat är dels materialrelaterade och dels drivna av ekonomiska aspekter. De materialrelaterade problemen handlar framför allt om störningar i materialet (dislokationer) som förändras då komponenten drivs i framriktningen och försämrar framspänningsfallet på komponenten. Dessutom är det problem med dielektrikat till MOSFET komponenter. De ekonomiska aspekterna kan härledas till kostnaden att odla de epitaxiella skikten som komponenterna byggs på. Dessa skikt odlas normalt med en mycket låg hastighet men tack vare en klor-baserad process framtagen vid LiU kan tillväxthastigheten ökas med mer än en tiopotens. Detta projekt ämnar lösa de materialrelaterade problemen och även skapa en klor-baserad epitaxiell process som minskar kostnaden för de epitaxiella skikten och därmed också för komponenterna.