设备使电源转换更有效

电力电子设备无处不在，它可以修改电压或在直流和交流电之间进行转换。它们位于我们用于为便携式设备充电的电源砖中; 他们在电动车的电池组中; 它们位于电网本身，它们在高压输电线路和家用电气插座的较低电压之间进行调节。

功率转换本质上是低效的：功率转换器的输出功率绝对不会高。但最近，由氮化镓制成的功率转换器已经开始进入市场，与传统的硅基功率相比，具有更高的效率和更小的尺寸转换器。

然而，商业氮化镓功率器件不能处理高于约600伏的电压，这限制了它们用于家用电子设备。

在本周电气与电子工程师协会国际电子器件研讨会上，来自麻省理工学院，半导体公司IQE，哥伦比亚大学，IBM和新加坡 - 麻省理工学院研究与技术联盟的研究人员提出了一种新的设计，在测试中，氮化镓功率器件处理1,200伏的电压。

这已经足够用于电动汽车，但研究人员强调他们的设备是在学术实验室制造的第一个原型。他们认为，进一步的工作可以将其容量提高到3,300到5,000伏范围，从而将氮化镓的效率提升到电网本身的电力电子设备中。

这是因为新器件采用了与现有氮化镓电力电子设备截然不同的设计。

“所有商用的设备都称为横向设备，”麻省理工学院电子工程与计算机科学教授，微系统技术实验室成员，新论文的高级作者托马斯·帕拉西奥斯说。“所以整个器件都是在氮化镓晶圆的顶面制造的，这对于笔记本电脑充电器等低功耗应用非常有用。但对于中等功率和高功率应用，垂直器件要好得多。电流不是流经半导体表面，而是流过晶圆，穿过半导体。垂直器件在管理多少电压和控制电流方面要好得多。

一方面，Palacios解释说，电流流入垂直设备的一个表面而另一个表面。这意味着只需要更多的空间来连接输入和输出线，从而实现更高的电流负载。

另一方面，帕拉西奥斯说，“当你有横向装置时，所有电流都流过靠近表面的非常窄的材料板。我们谈论的是一块厚度仅为50纳米的材料板。所以目前所有的电流都是如此。经过那里，所有的热量都在非常狭窄的区域内产生，所以它真的非常非常热。在垂直设备中，电流流过整个晶圆，因此散热更加均匀。

缩小了领域

尽管它们的优点众所周知，但是垂直器件难以用氮化镓制造。功率电子器件依赖于晶体管，其中施加到“栅极”的电荷在导电和非导电状态之间切换半导体材料(例如硅或氮化镓)。

为了使切换有效，流过半导体的电流需要被限制在相对较小的区域，其中栅极的电场可以对其施加影响。过去，研究人员试图通过在氮化镓中嵌入物理势垒来将电流引入栅极下方的通道来构建垂直晶体管。

但这些障碍物是由昂贵且难以生产的气质材料制成的，并且以不破坏晶体管电子特性的方式将其与周围的氮化镓结合起来也证明具有挑战性。

帕拉西奥斯和他的合作者采用了一种简单而有效的替代方案。该团队包括第一作者，Palacios实验室的博士后Yuhao Zhang和去年春天在电气工程和计算机科学系(EECS)获得麻省理工学院博士学位的Min Sun; Daniel Piedra和Yuxuan Lin，麻省理工学院EECS研究生; 胡杰，帕拉西奥斯集团的博士后; 新加坡 - 麻省理工学院研究与技术联盟的刘志宏; IQE的项翔; 和哥伦比亚大学的Ken Shepard。

他们只使用更窄的设备，而不是使用内部屏障将电流路由到较大设备的狭窄区域。它们的垂直氮化镓晶体管顶部有叶片状突起，称为“鳍片”。在每个翅片的两侧是电触点，它们一起充当栅极。电流通过鳍片顶部的另一个触点进入晶体管，并通过器件底部离开。鳍片的窄度确保了栅极电极能够接通和断开晶体管。

“Yuhao和Min的好主意，我想，就是说，'不是通过在同一个晶圆中放置多种材料来限制电流，而是通过从那些我们不希望电流流动的区域中去除材料来限制它的几何形状。 ，“帕拉西奥斯说。“不要在传统的垂直晶体管中为电流做复杂的锯齿形路径，让我们完全改变晶体管的几何形状。”