導(dǎo)讀

最近，麻省理工學(xué)院（MIT）、半導(dǎo)體公司IQE、哥倫比亞大學(xué)、IBM以及新加坡MIT研究與技術(shù)聯(lián)盟的科研人員展示出一項(xiàng)新型設(shè)計(jì)，讓氮化鎵功率器件處理的電壓可達(dá)1200伏。

背景

我們身邊隨處可見各式各樣的功率電子器件，它們一般可用于改變電壓或者交直流電的轉(zhuǎn)換，例如：便攜式電子設(shè)備充電的移動(dòng)電源、電動(dòng)汽車的電池組、電網(wǎng)本身的輸變電設(shè)備。

從本質(zhì)上講，功率變換是效率低下的，因?yàn)殡娫崔D(zhuǎn)換器輸出的能量永遠(yuǎn)少于其輸入的能量。但是最近，由氮化鎵制成的功率轉(zhuǎn)換器開始上市，比傳統(tǒng)的硅基功率轉(zhuǎn)換器，效率更高且尺寸更小。

之前，筆者介紹過德國弗勞恩霍夫應(yīng)用固體物理研究所（Fraunhofer IAF）為了配合5G系統(tǒng)，開發(fā)出基于半導(dǎo)體“氮化鎵”的新型功率放大器，有利于以更高度精確性和更低的能量消耗，將信息傳輸至接收器。

（圖片來源：Fraunhofer IAF）

然而，商用的氮化鎵功率器件無法處理600伏以上的電壓，所以限制在家用電器中使用。

創(chuàng)新

在這周召開的電氣電子工程師協(xié)會(huì)的國際電子器件會(huì)議上，來自麻省理工學(xué)院（MIT）、半導(dǎo)體公司IQE、哥倫比亞大學(xué)、IBM以及新加坡麻省理工學(xué)院研究與技術(shù)聯(lián)盟的科研人員展示出一項(xiàng)新型設(shè)計(jì)，經(jīng)測(cè)試，它可以讓氮化鎵功率器件處理的電壓達(dá)1200伏。

（圖片來源：Yuhao Zhang）

該團(tuán)隊(duì)包括Palacios 實(shí)驗(yàn)室的博士后、論文首作者Yuhao Zhang，MIT 電氣工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)專業(yè)博士Min Sun，MIT電氣工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)專業(yè)研究生Piedra 和Yuxuan Lin，Palacios 小組的博士后Jie Hu，新加坡MIT研究與技術(shù)聯(lián)盟的Zhihong Liu，IQE 的Xiang Gao，哥倫比亞大學(xué)的Ken Shepard。

技術(shù)

從根本上來說，新器件的設(shè)計(jì)不同于現(xiàn)有的氮化鎵功率電子器件。

MIT 電氣工程系和計(jì)算機(jī)科學(xué)專業(yè)教授、微系統(tǒng)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室成員、新論文高級(jí)作者Tomás Palacios 表示，目前所有商用器件都稱為橫向器件。所以整個(gè)器件是在氮化鎵晶圓的頂面上制造的，這對(duì)于低功率應(yīng)用非常有益，例如筆記本電腦充電器。

而對(duì)于中高功率應(yīng)用，縱向器件效果更好。在這些器件中，電流并不是流過半導(dǎo)體表面，而是流過晶圓，穿過半導(dǎo)體。縱向器件在管理和控制電流方面效果更好。

Palacios 解釋說，從一方面說，電流流進(jìn)縱向器件表面，然后從另外一面流出。這意味著將有更多空間用于連接輸入輸出線，從而帶來更高的電流負(fù)載。

從另外一方面說，Palacios 表示，當(dāng)用戶使用橫向器件時(shí)，所有的電流都會(huì)通過一個(gè)離表面很近的非常狹窄的平板材料。研究人員討論到這種平板材料的厚度只有50納米。所有的電流都會(huì)流經(jīng)這里，所有的熱量都會(huì)在非常狹窄的區(qū)域中生成，所以它變得非常熱。在縱向器件中，電流流過整個(gè)晶圓，所以熱消散更加統(tǒng)一。

盡管縱向器件優(yōu)點(diǎn)非常顯著，但是縱向器件一直以來就難以通過氮化鎵制造。功率電子器件依賴于晶體管，晶體管作為一種可變電流開關(guān)，能夠基于輸入電壓控制輸出電流。在晶體管中，電荷施加于“門”，使得半導(dǎo)體材料例如硅或者氮化鎵，在導(dǎo)電和非導(dǎo)電狀態(tài)之間切換。

為了使開關(guān)更加高效，流過半導(dǎo)體的電流需要局限于相對(duì)較小的區(qū)域中，在那里門的電場(chǎng)會(huì)對(duì)其施加影響。過去，科研人員曾經(jīng)嘗試通過將物理屏障嵌入到氮化鎵中，引導(dǎo)電流進(jìn)入門下方的通道中，構(gòu)建縱向晶體管。

但是，屏障是由一種不穩(wěn)定、昂貴、難以生產(chǎn)的材料組成。此外，將它與周圍的氮化鎵以一種不會(huì)破壞晶體管電子特性的方式集成，也非常具有挑戰(zhàn)性。

研究人員簡單使用了一個(gè)更加狹窄的器件，取代了使用內(nèi)部屏障將電流引導(dǎo)進(jìn)更大器件中的狹窄區(qū)域的辦法。他們采用的縱向氮化鎵晶體管在其頂部具有葉片狀突起，像“魚鰭”一般。每個(gè)“魚鰭”的兩側(cè)都是電觸頭，在一起作為“門”使用。電流進(jìn)入晶體管，流經(jīng)另外一個(gè)位于“魚鰭”頂部的觸頭，從器件的底部流出。魚鰭的狹窄保證門電極可以切換晶體管的開關(guān)。

（圖片來源：MIT）

Palacios 表示，Yuhao 和Min 的聰明辦法，并不是通過在同一晶圓上的多種材料限制電流，而是通過從我們不想讓電流流經(jīng)的那些區(qū)域上，去除材料，在幾何學(xué)意義上限制電流。我們完全改變了晶體管幾何結(jié)構(gòu)，從而取代之前在傳統(tǒng)的縱向晶體管中采用的復(fù)雜曲折路線。

價(jià)值

這么高的電壓已經(jīng)可以滿足電動(dòng)汽車的使用要求，但是研究人員強(qiáng)調(diào)他們?cè)O(shè)計(jì)的器件是首個(gè)在學(xué)術(shù)實(shí)驗(yàn)室制造的原型器件。他們相信經(jīng)過更進(jìn)一步的研究，電壓將提升至3300伏~ 5000伏的范圍，以及提升氮化鎵的效率，使之為電網(wǎng)自身的電子設(shè)備供電。

關(guān)鍵字

功率器件、半導(dǎo)體、晶圓

參考資料

【1】http://news.mit.edu/2017/device-makes-power-conversion-more-efficient-1207