導讀

最近，麻省理工學院（MIT）、半導體公司IQE、哥倫比亞大學、IBM以及新加坡MIT研究與技術聯盟的科研人員展示出一項新型設計，讓氮化鎵功率器件處理的電壓可達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換，例如：便攜式電子設備充電的移動電源、電動汽車的電池組、電網本身的輸變電設備。

從本質上講，功率變換是效率低下的，因為電源轉換器輸出的能量永遠少于其輸入的能量。但是最近，由氮化鎵制成的功率轉換器開始上市，比傳統的硅基功率轉換器，效率更高且尺寸更小。

之前，筆者介紹過德國弗勞恩霍夫應用固體物理研究所（Fraunhofer IAF）為了配合5G系統，開發出基于半導體“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。

創新

在這周召開的電氣電子工程師協會的國際電子器件會議上，來自麻省理工學院（MIT）、半導體公司IQE、哥倫比亞大學、IBM以及新加坡麻省理工學院研究與技術聯盟的科研人員展示出一項新型設計，經測試，它可以讓氮化鎵功率器件處理的電壓達1200伏。

（圖片來源：Yuhao Zhang）

該團隊包括Palacios 實驗室的博士后、論文首作者Yuhao Zhang，MIT 電氣工程與計算機科學專業博士Min Sun，MIT電氣工程與計算機科學專業研究生Piedra 和Yuxuan Lin，Palacios 小組的博士后Jie Hu，新加坡MIT研究與技術聯盟的Zhihong Liu，IQE 的Xiang Gao，哥倫比亞大學的Ken Shepard。

技術

從根本上來說，新器件的設計不同于現有的氮化鎵功率電子器件。

MIT 電氣工程系和計算機科學專業教授、微系統技術實驗室成員、新論文高級作者Tomás Palacios 表示，目前所有商用器件都稱為橫向器件。所以整個器件是在氮化鎵晶圓的頂面上制造的，這對于低功率應用非常有益，例如筆記本電腦充電器。

而對于中高功率應用，縱向器件效果更好。在這些器件中，電流并不是流過半導體表面，而是流過晶圓，穿過半導體。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載。

從另外一方面說，Palacios 表示，當用戶使用橫向器件時，所有的電流都會通過一個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。所有的電流都會流經這里，所有的熱量都會在非常狹窄的區域中生成，所以它變得非常熱。在縱向器件中，電流流過整個晶圓，所以熱消散更加統一。

盡管縱向器件優點非常顯著，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，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”，使得半導體材料例如硅或者氮化鎵，在導電和非導電狀態之間切換。

為了使開關更加高效，流過半導體的電流需要局限于相對較小的區域中，在那里門的電場會對其施加影響。過去，科研人員曾經嘗試通過將物理屏障嵌入到氮化鎵中，引導電流進入門下方的通道中，構建縱向晶體管。

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

研究人員簡單使用了一個更加狹窄的器件，取代了使用內部屏障將電流引導進更大器件中的狹窄區域的辦法。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“魚鰭”的兩側都是電觸頭，在一起作為“門”使用。電流進入晶體管，流經另外一個位于“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。

（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的那些區域上，去除材料，在幾何學意義上限制電流。我們完全改變了晶體管幾何結構，從而取代之前在傳統的縱向晶體管中采用的復雜曲折路線。

價值

這么高的電壓已經可以滿足電動汽車的使用要求，但是研究人員強調他們設計的器件是首個在學術實驗室制造的原型器件。他們相信經過更進一步的研究，電壓將提升至3300伏~ 5000伏的范圍，以及提升氮化鎵的效率，使之為電網自身的電子設備供電。

關鍵字

功率器件、半導體、晶圓

參考資料

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