详细剖析新型氮化镓功率器件的技术特性

我们身边随处可见各式各样的功率电子器件，它们一般可用于改变电压或者交直流电的转换，例如：便携式电子设备充电的移动电源、电动汽车的电池组、电网本身的输变电设备。

从本质上讲，功率变换是效率低下的，因为电源转换器输出的能量永远少于其输入的能量。但是最近，由氮化镓制成的功率转换器开始上市，比传统的硅基功率转换器，效率更高且尺寸更小。

然而，商用的氮化镓功率器件无法处理600伏以上的电压，所以限制在家用电器中使用。

创新

在这周召开的电气电子工程师协会的国际电子器件会议上，来自麻省理工学院（MIT）、半导体公司IQE、哥伦比亚大学、IBM以及新加坡麻省理工学院研究与技术联盟的科研人员展示出一项新型设计，经测试，它可以让氮化镓功率器件处理的电压达1200伏。

该团队包括 Palacios 实验室的博士后、论文首作者 Yuhao Zhang，MIT 电气工程与计算机科学专业博士 Min Sun，MIT电气工程与计算机科学专业研究生 Piedra 和 Yuxuan Lin，Palacios 小组的博士后 Jie Hu，新加坡MIT研究与技术联盟的 Zhihong Liu，IQE 的 Xiang Gao，哥伦比亚大学的 Ken Shepard。

技术

从根本上来说，新器件的设计不同于现有的氮化镓功率电子器件。

MIT 电气工程系和计算机科学专业教授、微系统技术实验室成员、新论文高级作者 Tomás Palacios 表示，目前所有商用器件都称为横向器件。所以整个器件是在氮化镓晶圆的顶面上制造的，这对于低功率应用非常有益，例如笔记本电脑充电器。

而对于中高功率应用，纵向器件效果更好。在这些器件中，电流并不是流过半导体表面，而是流过晶圆，穿过半导体。纵向器件在管理和控制电流方面效果更好。

Palacios 解释说，从一方面说，电流流进纵向器件表面，然后从另外一面流出。这意味着将有更多空间用于连接输入输出线，从而带来更高的电流负载。

从另外一方面说，Palacios 表示，当用户使用横向器件时，所有的电流都会通过一个离表面很近的非常狭窄的平板材料。研究人员讨论到这种平板材料的厚度只有50纳米。所有的电流都会流经这里，所有的热量都会在非常狭窄的区域中生成，所以它变得非常热。在纵向器件中，电流流过整个晶圆，所以热消散更加统一。

尽管纵向器件优点非常显著，但是纵向器件一直以来就难以通过氮化镓制造。功率电子器件依赖于晶体管，晶体管作为一种可变电流开关，能够基于输入电压控制输出电流。在晶体管中，电荷施加于“门”，使得半导体材料例如硅或者氮化镓，在导电和非导电状态之间切换。

为了使开关更加高效，流过半导体的电流需要局限于相对较小的区域中，在那里门的电场会对其施加影响。过去，科研人员曾经尝试通过将物理屏障嵌入到氮化镓中，引导电流进入门下方的通道中，构建纵向晶体管。

但是，屏障是由一种不稳定、昂贵、难以生产的材料组成。此外，将它与周围的氮化镓以一种不会破坏晶体管电子特性的方式集成，也非常具有挑战性。

研究人员简单使用了一个更加狭窄的器件，取代了使用内部屏障将电流引导进更大器件中的狭窄区域的办法。他们采用的纵向氮化镓晶体管在其顶部具有叶片状突起，像“鱼鳍”一般。每个“鱼鳍”的两侧都是电触头，在一起作为“门”使用。电流进入晶体管，流经另外一个位于“鱼鳍”顶部的触头，从器件的底部流出。鱼鳍的狭窄保证门电极可以切换晶体管的开关。

Palacios 表示，Yuhao 和 Min 的聪明办法，并不是通过在同一晶圆上的多种材料限制电流，而是通过从我们不想让电流流经的那些区域上，去除材料，在几何学意义上限制电流。我们完全改变了晶体管几何结构，从而取代之前在传统的纵向晶体管中采用的复杂曲折路线。