功率电子器件有助于控制电能流动,并将其转换为电动汽车、可再生能源系统和工业设备等不同机器所需的形式。在此过程中,部分电能会以热量形式损耗,从而降低效率,并可能影响器件性能。能够承受高电压、高效导电并有效散热的半导体材料,将使这些器件更高效、更可靠。
α-氧化镓(α-Ga2O3)因能够承受极强电场而成为颇具吸引力的候选材料。不过,科学家对其电子迁移的难易程度以及散热效果仍不完全了解,而这两项都是制造可靠电子器件的重要特性。
为研究这些特性,北海道大学和京都大学的研究人员采用一种名为雾化学气相沉积的技术制备了α-氧化镓薄膜。他们加入少量锗,该元素可为材料提供导电电子。通过改变锗含量,研究团队可以考察电子浓度变化对薄膜中电和热传输的影响。该研究已发表于《ACS Applied Electronic Materials》。
团队首先测量了薄膜的电学性能,包括电子浓度和热电势,该指标描述有多少电子在材料中移动。随后,研究人员估算了电子有效质量,用于描述电子在材料内部的行为。他们发现该值约为自由电子质量的40%,高于理论预测的25%。这一差异可能是α-氧化镓中电子迁移不如预期顺畅的部分原因。
随后,团队测量了热量在薄膜中传导的效率。他们测得热导率约为19瓦/米·开尔文。即使锗浓度增加,该数值也几乎没有变化。综合来看,这些结果表明,加入锗可以改善电子迁移,而不会显著改变材料中的热传递。
通过加深对α-氧化镓中电和热传输机制的认识,这项研究为设计未来的功率电子器件提供了有益基础。要将这些认识转化为器件性能的提升,仍需进一步研究。
来源: 海外媒体
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