Project

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3.3kV SiC MOSFET and diodes for advanced power electronic systems

English title 3.3kV SiC MOSFET and diodes for advanced power electronic systems
Applicant Gobrecht Jens
Number 153798
Funding scheme NRP 70 Energy Turnaround
Research institution Labor für Mikro- und Nanotechnologie Paul Scherrer Institut
Institution of higher education Paul Scherrer Institute - PSI
Main discipline Electrical Engineering
Start/End 01.01.2015 - 31.12.2018
Approved amount 595'566.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Electrical Engineering
Condensed Matter Physics

Keywords (6)

SiC Power electronic device; SiC; Solid State Transformer; SiC MOSFET; SiC Schottky diode; Smart grid

Lay Summary (German)

Lead
Die zukünftige, Stromversorgung der Schweiz und Europas soll weitgehend auf erneuerbaren Energiequellen basieren, neben Wasserkraft insbesondere auch Windenergie und Photovoltaik. Die gewohnte Versorgungssicherheit und Netzstabilität kann in diesem Fall durch die bestehenden Stromverteilnetze nicht mehr gewährleistet werden, da Strom aus Wind und Sonne kurzfristige und starke Fluktuationen aufweist und die grossen, rotierenden Massen in herkömmlichen, thermischen Kraftwerken fehlen. Das NRP 70 Projekt „Swiss Transformer“ soll einen wesentlichen Baustein zur Realisierung neuer „smart-grids“ liefern: Einen eisenlosen, auf Leistungselektronik basierenden Transformator, welcher neben der Spannungsumsetzung auch Frequenz und Phase der Netze unabhängig und schnell regeln kann. Der „Swiss Transformer“ kann also einen ganz wesentlichen Beitrag leisten zur Erreichung der Ziele, welche in der Strategie „Energiewende Schweiz 2050“ formuliert sind.
Lay summary
Theoretisch würde sich ein „Swiss Transformer“ für die oben beschriebene Anwendung auch mit herkömmlichen Leistungshalbleiter-Bauelementen auf der Basis von Silizium realisieren lassen. Ein solches Konzept würde jedoch zu beträchtlichen Energieverlusten in den Halbleitern und damit zu inakzeptabler Ineffizienz des „Transformers“ führen. Das seit einigen Jahren intensiv erforschte Halbleitermaterial SiC bietet hier einen Ausweg. Aufgrund seiner Materialeigenschaften erlaubt es (theoretisch) die Realisierung von Leistungsschaltern, deren Verlustleistung bei gleicher Schaltleistung um ein Vielfaches niedriger ist als bei Silizium. Allerdings ist das Design geeigneter Bauelementstrukturen und die Verarbeitungstechnologie von SiC-Material heute erst nur für relativ kleine Leistungen erforscht und nicht für Bauelemente mit Schaltleistungen im Megawatt-Bereich, wie sie für Stromnetze notwendig sind.  Ziel des Projektes ist es also 1. auf der Basis numerischer Modellierung zu einem für hohe Schaltleistungen optimalen Bauelement-Design zu gelangen und 2. Wege zu finden, die (heute nur teilweise bekannten) Probleme bei der Prozessierung von SiC Material wissenschaftlich zu untersuchen, zu verstehen und zu lösen. Ein Beispiel hierzu illustriert die Erzeugung des thermischen Oxydes auf der SiC-Oberfläche, welches für die Herstellung eines sognannten MOS-Schaltelementes (MOS = Metal-Oxide-Semiconductor) unabdingbar ist: Während bei der Oxydation von Silizium eine sehr glatte Grenzfläche zwischen dem Si und dem Oxyd entsteht, ist diese bei der Oxydation von SiC auf der Nanometerskala sehr rauh, was sich nachteilig auf den Widerstand des Bauelementes im eingeschalteten Zustand auswirkt. Eines der Ziele des Projektes ist es, u.a. durch Nutzung von Synchrotronstrahlung am PSI die Mechanismen der Entstehung dieser Nano-Rauigkeiten wissenschaftlich zu klären und durch geeignete Modifikationen der Herstellungstechnik zu vermeiden.
Direct link to Lay Summary Last update: 12.02.2019

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Publications

Publication
Silicon carbide X-ray beam position monitors for synchrotron applications.
Nida Selamnesh, Tsibizov Alexander, Ziemann Thomas, Woerle Judith, Moesch Andy, Schulze-Briese Clemens, Pradervand Claude, Tudisco Salvatore, Sigg Hans, Bunk Oliver, Grossner Ulrike, Camarda Massimo (2019), Silicon carbide X-ray beam position monitors for synchrotron applications., in Journal of synchrotron radiation, 26(Pt 1), 28-35.
Surface Morphology of 4H-SiC After Thermal Oxidation, Materials Science Forum
Woerle Judith, Simonka Vito, Elisabeth Müller, Sigg Hans, Selberherr Siegfried, Weinbub Josef, Camarda Massino, Grossner Ulrike (2019), Surface Morphology of 4H-SiC After Thermal Oxidation, Materials Science Forum, in Proceedings of 17th European Conference on Silicon Carbide and Related Materials, Birmingham, United, Birmingham, UKTrans Tech Publications Ltd, United Kingdom.
SiCILIA—Silicon Carbide Detectors for Intense Luminosity Investigations and Applications
Tudisco Salvatore, La Via Francesco, Agodi Clementina, Altana Carmen, Borghi Giacomo, Boscardin Maurizio, Bussolino Giancarlo, Calcagno Lucia, Camarda Massimo, Cappuzzello Francesco, Carbone Diana, Cascino Salvatore, Casini Giovanni, Cavallaro Manuela, Ciampi Caterina, Cirrone Giuseppe, Cuttone Giacomo, Fazzi Alberto, Giove Dario, Gorini Giuseppe, Labate Luca, Lanzalone Gaetano, Litrico Grazia, Longo Giuseppe, et al. (2018), SiCILIA—Silicon Carbide Detectors for Intense Luminosity Investigations and Applications, in Sensors, 18(7), 2289-2289.
Analysis of 4H-SiC MOS Capacitors on Macro-Stepped Surfaces
Camarda Massimo, Woerle Judith, Soulière Véronique, Ferro Gabriel, Sigg Hans, Grossner Ulrike, Gobrecht Jens (2017), Analysis of 4H-SiC MOS Capacitors on Macro-Stepped Surfaces, in Materials Science Forum, 897, 107-110.
Analysis of Thin Thermal Oxides on (0001) SiC Epitaxial Layers
Woerle Judith, Camarda Massimo, Schneider Christof W., Sigg Hans, Grossner Ulrike, Gobrecht Jens (2017), Analysis of Thin Thermal Oxides on (0001) SiC Epitaxial Layers, in Materials Science Forum, 897, 119-122.
Electronic band structure of the buried SiO 2 /SiC interface investigated by soft x-ray ARPES
Woerle J., Bisti F., Husanu M.-A., Strocov V. N., Schneider C. W., Sigg H., Gobrecht J., Grossner U., Camarda M. (2017), Electronic band structure of the buried SiO 2 /SiC interface investigated by soft x-ray ARPES, in Applied Physics Letters, 110(13), 132101-132101.
Electrical properties of extended defects in 4H-SiC investigated by photoinduced current measurements
Privitera Stefania M. S., Litrico Grazia, Camarda Massimo, Piluso Nicolò, La Via Francesco (2017), Electrical properties of extended defects in 4H-SiC investigated by photoinduced current measurements, in Applied Physics Express, 10(3), 036601-036601.
4H-SiC(0001) Surface Faceting during Interaction with Liquid Si
Soulière Véronique, Carole Davy, Camarda Massimo, Woerle Judith, Grossner Ulrike, Dezellus Olivier, Ferro Gabriel (2016), 4H-SiC(0001) Surface Faceting during Interaction with Liquid Si, in Materials Science Forum, 858, 163-166.

Collaboration

Group / person Country
Types of collaboration
• Institute for Microelectronics and Microsystems (IMM-CNR), Catania Italy (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
- Research Infrastructure
ABB Corporate Research Center Switzerland (Europe)
- Research Infrastructure
- Industry/business/other use-inspired collaboration
• University of Basel, Department of Physics, Basel Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
- Research Infrastructure
Advanced Power Semiconductor lab, ETHZ Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
- Research Infrastructure
- Exchange of personnel
• University of Lyon, Laboratorie des Mutimateriaux et Interfaces LMI France (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
- Research Infrastructure

Patents

Title Date Number Inventor Owner

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
162658 Ultra highly strained semiconductors: materials for new applications 01.10.2015 Project funding (Div. I-III)
177036 Displacement Talbot Lithography for micro and nanopatterning 01.01.2018 R'EQUIP
170743 An ultra-high resolution scanning electron microscope (SEM) for low-energy imaging and analysis 01.02.2017 R'EQUIP
175867 The optical properties of direct bandgap group IV lasers 01.03.2018 Project funding (Div. I-III)

Abstract

This project aims for developing new concepts of design and fabrication processes for SiC power semiconductors for use in a Solid State Tranformer (SST) demonstrator for medium voltage power distribution. SSTs could be the most efficient key component in the future "smart grids" which are considered necessary for an effective integration of large amounts of electricity from renewable sources (solar, wind) which are characterized by quickly fluctuating output and a decentralized nature. SSTs will increase efficiency in electricity distribution and enable the efficient integration of renewable sources at the same time, thus meeting several demands of the "Energy Strategy 2050". A SST for smart grids cannot be realized with sufficient efficiency using existing Si power semiconductors. SiC in combination with adapted device designs in principle can meet the necessary specifications. However, some of the fabrication processes are still immature and their effects on the material are scientifically only partly understood. Thus, the theoretical potential of SiC for power electronics by far cannot be fully exploted today. It is the key target of this project to clarify the processing effects on SiC material through using advanced proceesses and unique analytic technologies on the atomic scale, e.g. synchrotron based techniques. Apart from use in SSTs, better SiC devices can enhance electric motor drive and traction system efficiency compared to those using Si devices.This proposal is "project 1" of the joint umbrella project "SwiSS Transformer - Solid State SiC Transformer". It will deliver an analyzes of the performance of SiC based transformers and converters including a SST demonstrator in P3 and packaging-cooling investigation in P3 and finally in P4 the socialecomical, sustainability and reliability impact. The SiC power semiconductors therefore are the start of a coordinated value chain.
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