SiC - energibesparande kraftelektronikmaterial
- Diarienummer
- EM11-0034
- Start- och slutdatum
- 120201-171231
- Beviljat belopp
- 15 869 000 kr
- Förvaltande organisation
- Linköping University
- Forskningsområde
- Materialvetenskap och materialteknologier
Summary
SiC har potential att ersätta nuvarande material i de flesta låg- och hög-frekvens kraftkomponenter, när väl materialproblemen har blivit bemästrade. SiC-baserad kraftelektronik kommer dramatiskt att reducera förluster i de flesta distributions- och generationssystem för elektrisk energi såväl som i elektriska motorer. Detta projekt är en fokuserad ansträngning att lösa kritiska materialproblem för SiC kraftkomponenter. Eftersom substratmaterialet på senare år har förbättrats är epitaxin nu den begränsande faktorn. Detta projekt bygger på den långa och framgångsrika utveckling av SiC material på LiU och kommer att involvera flera erfarna forskare aktiva inom experiment, modellering och teori. Huvudaktiviteterna kommer vara: Förståelse och kontroll av laddningsbärarnas livstidsbegränsande defekter i SiC Karakterisering och identifiering av device-kritiska epitaxiella defekter Undersökning av oprövade alternativa gate dielektrika Utveckling av on-axis epitaxi för kraftkomponenttillämpningar Utveckling av Cl-baserad epitaxi för höga tillväxthastigheter Genom att lösa dessa problem och demonstrera en significant utveckling av den epitaxialla tillväxtmetoden möjliggörs SiC-baserade, energibesparande elektronik för använding i kraftdistribution och i anslutning av förnybara energikällor till kraftnätet samt för hybridbilar. Vi har starka och väletablerade samarbeten med grupper som bedriver komponentutveckling både inom Sverige och internationellt.
Populärvetenskaplig beskrivning
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.