電力電子設(shè)備無處不在，它可以修改電壓或在直流和交流電之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。它們位于我們用于為便攜式設(shè)備充電的電源磚中; 他們在電動車的電池組中; 它們位于電網(wǎng)本身，它們在高壓輸電線路和家用電氣插座的較低電壓之間進(jìn)行調(diào)節(jié)。

功率轉(zhuǎn)換本質(zhì)上是低效的：功率轉(zhuǎn)換器的輸出功率絕對不會高。但最近，由氮化鎵制成的功率轉(zhuǎn)換器已經(jīng)開始進(jìn)入市場，與傳統(tǒng)的硅基功率相比，具有更高的效率和更小的尺寸轉(zhuǎn)換器。

然而，商業(yè)氮化鎵功率器件不能處理高于約600伏的電壓，這限制了它們用于家用電子設(shè)備。

在本周電氣與電子工程師協(xié)會國際電子器件研討會上，來自麻省理工學(xué)院，半導(dǎo)體公司IQE，哥倫比亞大學(xué)，IBM和新加坡 - 麻省理工學(xué)院研究與技術(shù)聯(lián)盟的研究人員提出了一種新的設(shè)計(jì)，在測試中，氮化鎵功率器件處理1,200伏的電壓。

這已經(jīng)足夠用于電動汽車，但研究人員強(qiáng)調(diào)他們的設(shè)備是在學(xué)術(shù)實(shí)驗(yàn)室制造的第一個原型。他們認(rèn)為，進(jìn)一步的工作可以將其容量提高到3,300到5,000伏范圍，從而將氮化鎵的效率提升到電網(wǎng)本身的電力電子設(shè)備中。

這是因?yàn)樾缕骷捎昧伺c現(xiàn)有氮化鎵電力電子設(shè)備截然不同的設(shè)計(jì)。

“所有商用的設(shè)備都稱為橫向設(shè)備，”麻省理工學(xué)院電子工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)教授，微系統(tǒng)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室成員，新論文的高級作者托馬斯·帕拉西奧斯說。“所以整個器件都是在氮化鎵晶圓的頂面上制造的，這對于筆記本電腦充電器等低功耗應(yīng)用非常有用。但對于中等功率和高功率應(yīng)用，垂直設(shè)備要好得多。電流不是流經(jīng)半導(dǎo)體表面，而是流過晶圓，穿過半導(dǎo)體。垂直器件在管理多少電壓和控制電流方面要好得多。

一方面，Palacios解釋說，電流流入垂直設(shè)備的一個表面而另一個表面。這意味著只需要更多的空間來連接輸入和輸出線，從而實(shí)現(xiàn)更高的電流負(fù)載。

另一方面，帕拉西奧斯說，“當(dāng)你有橫向裝置時，所有電流都流過靠近表面的非常窄的材料板。我們談?wù)摰氖且粔K厚度僅為50納米的材料板。所以目前所有的電流都是如此。經(jīng)過那里，所有的熱量都在非常狹窄的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生，所以它真的非常非常熱。在垂直設(shè)備中，電流流過整個晶圓，因此散熱更加均勻。

縮小了領(lǐng)域

盡管它們的優(yōu)點(diǎn)眾所周知，但是垂直器件難以用氮化鎵制造。功率電子器件依賴于晶體管，其中施加到“柵極”的電荷在導(dǎo)電和非導(dǎo)電狀態(tài)之間切換半導(dǎo)體材料(例如硅或氮化鎵)。

為了使切換有效，流過半導(dǎo)體的電流需要被限制在相對較小的區(qū)域，其中柵極的電場可以對其施加影響。過去，研究人員試圖通過在氮化鎵中嵌入物理勢壘來將電流引入柵極下方的通道來構(gòu)建垂直晶體管。

但這些障礙物是由昂貴且難以生產(chǎn)的氣質(zhì)材料制成的，并且以不破壞晶體管電子特性的方式將其與周圍的氮化鎵結(jié)合起來也證明具有挑戰(zhàn)性。

帕拉西奧斯和他的合作者采用了一種簡單而有效的替代方案。該團(tuán)隊(duì)包括第一作者，Palacios實(shí)驗(yàn)室的博士后Yuhao Zhang和去年春天在電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)系(EECS)獲得麻省理工學(xué)院博士學(xué)位的Min Sun; Daniel Piedra和Yuxuan Lin，麻省理工學(xué)院EECS研究生; 胡杰，帕拉西奧斯集團(tuán)的博士后; 新加坡 - 麻省理工學(xué)院研究與技術(shù)聯(lián)盟的劉志宏; IQE的項(xiàng)翔; 和哥倫比亞大學(xué)的Ken Shepard。

他們只使用更窄的設(shè)備，而不是使用內(nèi)部屏障將電流路由到較大設(shè)備的狹窄區(qū)域。他們的垂直氮化鎵晶體管頂部有刀片狀突起，稱為“鰭片”。在每個翅片的兩側(cè)是電觸點(diǎn)，它們一起充當(dāng)柵極。電流通過鰭片頂部的另一個觸點(diǎn)進(jìn)入晶體管，并通過器件底部離開。鰭片的窄度確保了柵極電極能夠接通和斷開晶體管。

“Yuhao和Min的好主意，我想，就是說，'不是通過在同一個晶圓上放置多種材料來限制電流，而是通過從那些我們不希望電流流動的區(qū)域中去除材料來限制它的幾何形狀。 ，“帕拉西奧斯說。“不要在傳統(tǒng)的垂直晶體管中為電流做復(fù)雜的鋸齒形路徑，讓我們完全改變晶體管的幾何形狀。”