基于氮化鎵(GaN) 技術(shù)的新型節(jié)能設(shè)備

氮化鎵南征北戰(zhàn)縱橫半導(dǎo)體市場多年，無論是吊打碳化硅，還是PK砷化鎵。氮化鎵憑借其禁帶寬度大、擊穿電壓高、熱導(dǎo)率大、電子飽和漂移速度高、抗輻射能力強(qiáng)和良好的化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)越性質(zhì)，確立了其在制備寬波譜、高功率、高效率的微電子、電力電子、光電子等器件方面的領(lǐng)先地位。

GaN和SiC同屬于第三代高大禁帶寬度的半導(dǎo)體材料，和第一代的Si以及第二代的GaAs等前輩相比，其在特性上優(yōu)勢(shì)突出。由于禁帶寬度大、導(dǎo)熱率高，GaN器件可在200℃以上的高溫下工作，能夠承載更高的能量密度，可靠性更高;較大禁帶寬度和絕緣破壞電場，使得器件導(dǎo)通電阻減少，有利與提升器件整體的能效;電子飽和速度快，以及較高的載流子遷移率，可讓器件高速地工作。

工程研究人員創(chuàng)造了比以前的技術(shù)更節(jié)能的新型大功率電子設(shè)備。這些器件是通過一種以受控方式“摻雜”氮化鎵 (GaN) 的獨(dú)特技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。

由于氮化鎵是高功率密度器件，因此它在非常狹小的空間內(nèi)散發(fā)熱量，形成高熱通量,氮化鎵在器件層面的熱通量比太陽表面的熱通量還要高五倍。這也是氮化鎵器件的熱設(shè)計(jì)如此重要的原因。在太空中使用的電源轉(zhuǎn)換器，必須要有能耐承受輻射所造成的損害。在電氣性能方面，氮化鎵場效應(yīng)晶體管好40倍，本身能夠承受老化的輻射耐受功率MOSFET的10倍的輻射。

“許多技術(shù)都需要功率轉(zhuǎn)換——功率從一種格式轉(zhuǎn)換為另一種格式，”該論文的第一作者、前博士 Dolar Khachariya 說。北卡羅來納州立大學(xué)的學(xué)生。“例如，該技術(shù)可能需要將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，或?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)換為功——例如電動(dòng)機(jī)。在任何電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，大部分功率損耗都發(fā)生在電源開關(guān)處——這是電氣的有源組件構(gòu)成電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的電路。”

“開發(fā)功率開關(guān)等更高效的電力電子設(shè)備可減少轉(zhuǎn)換過程中的功率損失量，”Khachariya 說，他現(xiàn)在是 Adroit Materials Inc. 的研究員?！斑@對(duì)于開發(fā)支持更可持續(xù)電力的技術(shù)尤為重要基礎(chǔ)設(shè)施，例如智能電網(wǎng)?！?

“我們?cè)谶@里的工作不僅意味著我們可以減少電力電子設(shè)備中的能量損失，而且與傳統(tǒng)的硅和碳化硅電子設(shè)備相比，我們還可以使功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)更加緊湊，”該論文的合著者 Ramón Collazo 說，北卡羅來納州立大學(xué)材料科學(xué)與工程副教授?！斑@使得將這些系統(tǒng)整合到目前由于重量或尺寸限制而不適用的技術(shù)中成為可能，例如汽車、輪船、飛機(jī)或分布在整個(gè)智能電網(wǎng)中的技術(shù)?！?

在 2021 年發(fā)表于Applied Physics Letters的一篇論文中，研究人員概述了一種使用離子注入和激活來摻雜 GaN 材料中目標(biāo)區(qū)域的技術(shù)。換句話說，他們將雜質(zhì)設(shè)計(jì)到 GaN 材料的特定區(qū)域，以選擇性地僅在這些區(qū)域修改 GaN 的電性能。

在他們的新論文中，研究人員展示了如何使用這種技術(shù)來創(chuàng)建實(shí)際設(shè)備。具體來說，研究人員使用選擇性摻雜的 GaN 材料來制造結(jié)勢(shì)壘肖特基 (JBS) 二極管。

“電源整流器，例如 JBS 二極管，在每個(gè)電源系統(tǒng)中都用作開關(guān)，”Collazo 說。“但從歷史上看，它們是由半導(dǎo)體硅或碳化硅制成的，因?yàn)槲磽诫s的 GaN 的電氣特性與 JBS 二極管的架構(gòu)不兼容。它就是行不通?！?

“我們已經(jīng)證明，您可以選擇性地?fù)诫s GaN 以創(chuàng)建功能性 JBS 二極管，并且這些二極管不僅具有功能性，而且比使用傳統(tǒng)半導(dǎo)體的 JBS 二極管能夠?qū)崿F(xiàn)更高的能效轉(zhuǎn)換。例如，在技術(shù)術(shù)語中，我們的 GaN JBS在原生 GaN 襯底上制造的二極管具有創(chuàng)紀(jì)錄的高擊穿電壓 (915 V) 和創(chuàng)紀(jì)錄的低導(dǎo)通電阻?！?

Collazo 說：“我們目前正在與行業(yè)合作伙伴合作，以擴(kuò)大選擇性摻雜 GaN 的生產(chǎn)，并正在尋找更多的合作伙伴來解決與更廣泛地制造和采用使用這種材料的功率設(shè)備相關(guān)的問題。”

該論文“使用超高壓退火激活的 Mg 注入具有近乎理想性能的垂直 GaN 結(jié)勢(shì)壘肖特基二極管”發(fā)表在Applied Physics Express雜志上。