基于氮化镓(GaN) 技术的新型节能设备

氮化镓南征北战纵横半导体市场多年，无论是吊打碳化硅，还是PK砷化镓。氮化镓凭借其禁带宽度大、击穿电压高、热导率大、电子饱和漂移速度高、抗辐射能力强和良好的化学稳定性等优越性质，确立了其在制备宽波谱、高功率、高效率的微电子、电力电子、光电子等器件方面的领先地位。

GaN和SiC同属于第三代高大禁带宽度的半导体材料，和第一代的Si以及第二代的GaAs等前辈相比，其在特性上优势突出。由于禁带宽度大、导热率高，GaN器件可在200℃以上的高温下工作，能够承载更高的能量密度，可靠性更高;较大禁带宽度和绝缘破坏电场，使得器件导通电阻减少，有利与提升器件整体的能效;电子饱和速度快，以及较高的载流子迁移率，可让器件高速地工作。

工程研究人员创造了比以前的技术更节能的新型大功率电子设备。这些器件是通过一种以受控方式“掺杂”氮化镓 (GaN) 的独特技术实现的。

由于氮化镓是高功率密度器件，因此它在非常狭小的空间内散发热量，形成高热通量,氮化镓在器件层面的热通量比太阳表面的热通量还要高五倍。这也是氮化镓器件的热设计如此重要的原因。在太空中使用的电源转换器，必须要有能耐承受辐射所造成的损害。在电气性能方面，氮化镓场效应晶体管好40倍，本身能够承受老化的辐射耐受功率MOSFET的10倍的辐射。

“许多技术都需要功率转换——功率从一种格式转换为另一种格式，”该论文的第一作者、前博士 Dolar Khachariya 说。北卡罗来纳州立大学的学生。“例如，该技术可能需要将交流电转换为直流电，或将电能转换为功——例如电动机。在任何电源转换系统中，大部分功率损耗都发生在电源开关处——这是电气的有源组件构成电源转换系统的电路。”

“开发功率开关等更高效的电力电子设备可减少转换过程中的功率损失量，”Khachariya 说，他现在是 Adroit Materials Inc. 的研究员。“这对于开发支持更可持续电力的技术尤为重要基础设施，例如智能电网。”

“我们在这里的工作不仅意味着我们可以减少电力电子设备中的能量损失，而且与传统的硅和碳化硅电子设备相比，我们还可以使功率转换系统更加紧凑，”该论文的合著者 Ramón Collazo 说，北卡罗来纳州立大学材料科学与工程副教授。“这使得将这些系统整合到目前由于重量或尺寸限制而不适用的技术中成为可能，例如汽车、轮船、飞机或分布在整个智能电网中的技术。”

在 2021 年发表于Applied Physics Letters的一篇论文中，研究人员概述了一种使用离子注入和激活来掺杂 GaN 材料中目标区域的技术。换句话说，他们将杂质设计到 GaN 材料的特定区域，以选择性地仅在这些区域修改 GaN 的电性能。

在他们的新论文中，研究人员展示了如何使用这种技术来创建实际设备。具体来说，研究人员使用选择性掺杂的 GaN 材料来制造结势垒肖特基 (JBS) 二极管。

“电源整流器，例如 JBS 二极管，在每个电源系统中都用作开关，”Collazo 说。“但从历史上看，它们是由半导体硅或碳化硅制成的，因为未掺杂的 GaN 的电气特性与 JBS 二极管的架构不兼容。它就是行不通。”

“我们已经证明，您可以选择性地掺杂 GaN 以创建功能性 JBS 二极管，并且这些二极管不仅具有功能性，而且比使用传统半导体的 JBS 二极管能够实现更高的能效转换。例如，在技术术语中，我们的 GaN JBS在原生 GaN 衬底上制造的二极管具有创纪录的高击穿电压 (915 V) 和创纪录的低导通电阻。”

Collazo 说：“我们目前正在与行业合作伙伴合作，以扩大选择性掺杂 GaN 的生产，并正在寻找更多的合作伙伴来解决与更广泛地制造和采用使用这种材料的功率设备相关的问题。”

该论文“使用超高压退火激活的 Mg 注入具有近乎理想性能的垂直 GaN 结势垒肖特基二极管”发表在Applied Physics Express杂志上。