設(shè)備可以大大減少電動(dòng)汽車 數(shù)據(jù)中心和電網(wǎng)中的能源浪費(fèi)

電力電子設(shè)備無(wú)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?cè)陔妱?dòng)車的電池組中; 它們位于電網(wǎng)本身，它們?cè)诟邏狠旊娋€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(duì)不會(huì)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(chǎng)，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(huì)國(guó)際電子器件研討會(huì)上，來(lái)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(cè)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(dòng)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(gè)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(jí)作者托馬斯·帕拉西奧斯說(shuō)。“所以整個(gè)器件都是在氮化鎵晶圓的頂面上制造的，這對(duì)于筆記本電腦充電器等低功耗應(yīng)用非常有用。但對(duì)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(guò)晶圓，穿過(guò)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(shuō)，電流流入垂直設(shè)備的一個(gè)表面而另一個(gè)表面。這意味著只需要更多的空間來(lái)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(shuō)，“當(dāng)你有橫向裝置時(shí)，所有電流都流過(guò)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(guò)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(guò)整個(gè)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(guò)半導(dǎo)體的電流需要被限制在相對(duì)較小的區(qū)域，其中柵極的電場(chǎng)可以對(duì)其施加影響。過(guò)去，研究人員試圖通過(guò)在氮化鎵中嵌入物理勢(shì)壘來(lái)將電流引入柵極下方的通道來(lái)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(lái)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(jiǎn)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(gè)翅片的兩側(cè)是電觸點(diǎn)，它們一起充當(dāng)柵極。電流通過(guò)鰭片頂部的另一個(gè)觸點(diǎn)進(jìn)入晶體管，并通過(guò)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(shuō)，'不是通過(guò)在同一個(gè)晶圓上放置多種材料來(lái)限制電流，而是通過(guò)從那些我們不希望電流流動(dòng)的區(qū)域中去除材料來(lái)限制它的幾何形狀。 ，“帕拉西奧斯說(shuō)。“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。”