近日，南方科技大學(xué)電子與電氣工程系助理教授馬俊與瑞士洛桑聯(lián)邦理工大學(xué)教授Elison Matioli、蘇州晶湛半導(dǎo)體有限公司董事長程凱等團(tuán)隊合作，在Nature Electronics發(fā)表了題目為“Multi-channel nanowire devices for efficient power conversion”的研究論文，報道了基于多溝道技術(shù)和寬禁帶半導(dǎo)體氮化鎵（GaN）的新型納米電力電子器件。該技術(shù)是電力電子領(lǐng)域和寬禁帶半導(dǎo)體領(lǐng)域的重大進(jìn)步，有望顯著提升能量轉(zhuǎn)換效率。

圖1. 多溝道器件的結(jié)構(gòu)示意圖和SEM圖像。

圖2 多溝道對器件擊穿電壓的影響及斜向三維柵帶來的擊穿電壓提升。

圖3新器件性能與現(xiàn)有技術(shù)的比較，顯示了極大的性能提升。

 

半導(dǎo)體電力電子器件是電能轉(zhuǎn)換的核心元件，其擊穿電壓和導(dǎo)通電阻分別決定了電能轉(zhuǎn)換的功率等級和能量效率。傳統(tǒng)電力電子器件的導(dǎo)通電阻越大，導(dǎo)致較高的損耗和碳排放。

 

該研究基于原創(chuàng)性的多溝道斜向三柵技術(shù)，開發(fā)了新型高效的GaN納米線電力電子器件，可以大大降低器件的導(dǎo)通電阻。該技術(shù)融合了兩項關(guān)鍵創(chuàng)新：第一項是在元件中建立幾個并行導(dǎo)電通道以減小電阻，就像在高速公路上增加新車道一樣，讓交通更加順暢；第二項創(chuàng)新涉及使用斜向三維柵結(jié)構(gòu)，通過獨特的斜向漏斗狀結(jié)構(gòu)使15納米寬的線條能夠承受超過1,200 V的電壓而不被擊穿。得益于這兩項創(chuàng)新的結(jié)合——允許更多電子流動的多通道設(shè)計以及調(diào)控納米線電場分布的斜向三柵結(jié)構(gòu)——新型器件可以在大功率系統(tǒng)中提供更高的能量效率，綜合性能是文獻(xiàn)中最好的GaN電力電子器件的兩倍。

 

馬俊與來自瑞士洛桑聯(lián)邦理工大學(xué)的Luca Nela和Erine Catherine為本文共同第一作者，通訊作者為Elison Matioli。本文由歐洲研究委員會、瑞士國家科學(xué)基金會、ECSEL聯(lián)合執(zhí)行體資助。