手机充电器内部的工作原理，或许很快就能为电动汽车和AI数据中心供电，因为研究人员找到了让氮化镓承受更高电压的方法。
为我们手机供电的小型充电器拥有一项秘密武器——氮化镓（GaN）。这种材料使其能够高效处理电能，而无需笨重的组件。然而，要让同样的材料承受高得多的电压，就会遇到一个一直阻碍氮化镓在某些最苛刻的电力系统中挑战硅的问题。如今，洛桑联邦理工学院（EPFL）的研究人员找到了一种方法，通过将氮化镓的一项天然特性转化为内置的电气击穿防御机制，使其能够承受超过3.4千伏的电压。
这一理念听起来几乎有违直觉。研究人员没有添加特殊化学物质来控制电荷在器件中的移动方式，而是对氮化镓层进行了工程化设计，使其自然产生相匹配的正电荷片和负电荷片。这防止了晶体管关断时电荷在某个脆弱位置堆积，使电场能够更加均匀地分布。其成果是一种异常高压的氮化镓器件，有望为电动汽车、可再生能源系统以及能耗巨大的AI数据中心带来更小、更高效的电力电子设备。
让氮化镓自行平衡电荷
EPFL电力实验室（POWERlab）的研究人员通过利用氮化镓的一种天然行为来解决这一难题。由于氮化镓晶体结构中的自发极化和压电极化效应，氮化镓异质结构可以自然诱导出极薄的可移动电子层和空穴层。
在传统氮化镓电子器件中，其中一个薄层包含可移动电子，形成二维电子气（2DEG）。研究人员额外设计了一层氮化镓，使其自然产生第二层包含可移动空穴的薄层，称为二维空穴气（2DHG）。关键步骤在于使两个电荷层几乎相等。通过调整氮化镓覆盖层的厚度，研究人员可以调控正电荷的数量，使其与电子层携带的负电荷紧密匹配。在他们的器件中，2DEG含有约每平方厘米1.03×10¹³个电子，而2DHG含有约每平方厘米1.05×10¹³个空穴——差异不到2%。
这种平衡防止了晶体管关断时通常会产生危险电场尖峰的电荷堆积。相反，正负电荷相互补偿，使电场能够更加均匀地分布在器件中。“我们通过利用氮化镓独有的自然极化效应实现了这一点。我们的工作有望在更加紧凑的尺度上实现稳健、高效的高压电力电子器件。”EPFL教授兼POWERlab主任埃利森·马蒂奥利表示。
该方法还消除了通过有意掺杂来产生平衡电荷的需要。这一点可能很重要，因为基于掺杂的电荷平衡结构在温度变化时可能表现不同。“氮化镓中基于掺杂的电荷平衡可能对温度高度敏感。我们的无掺杂设计是器件稳健性的关键。”主要研究人员之一、EPFL博士生袁宗表示。
从平衡电荷到数千伏
这一理念在构建于相对廉价的硅衬底上的氮化镓层物理器件中得到了验证。团队首先展示了击穿电压超过3.9千伏的肖特基势垒二极管，同时保持了低至4.7 mΩ·cm²的比导通电阻。电荷平衡对实现这一结果至关重要。一个电子和空穴浓度不匹配的对照器件在1千伏以下就发生了击穿，而电荷平衡器件达到了3.9千伏。晶体管版本在常开型工作模式下承受了3.5千伏，在常关型工作模式下承受了3.4千伏。这是许多商用氮化镓功率器件额定电压的五倍以上。
该性能在高温下同样保持稳定。二极管在高达125°C的温度下仍保持3.3千伏以上的击穿电压。在高达3千伏的重复高压工作过程中，其动态导通电阻的增加幅度不到15%。不过，晶体管的动态导通电阻仅在650伏以下进行了单独测试，因为研究人员的测量装置在更高开关电压下引入了寄生效应。
这一组合之所以重要，是因为一个能承受高电压但通过电阻浪费大量能量的晶体管仍然用途有限。新设计旨在同时解决这两个问题。“我们的器件能在宽温度范围内承受高电压，使其适用于电动汽车或工业电力系统——在这些场合，电子设备必须在高温和电应力下可靠运行。”该研究第一作者卢卡·马佐内表示。
氮化镓的更大舞台
这一进展最终可能惠及电动汽车、可再生能源系统以及能耗巨大的AI数据中心所使用的电力基础设施。在这些领域，更小、更高效的功率变换器可以同时减少硬件体积和热损耗。
然而，这些器件目前仍处于实验室演示阶段，其衬底也构成了一项限制。团队所使用的硅基氮化镓结构限制了最大击穿电压，这意味着采用不同的衬底可能使器件达到更高的电压水平。
研究人员也在关注电压以外的性能。在互补性工作中，POWERlab开发了多通道氮化镓器件，将电流分散到多条导通路径中，从而降低电阻并减少过热。“下一步是将这两种方法结合起来，以应对下一代电力电子面临的双重挑战：安全地处理极高电压，同时最大限度地降低电阻及由此产生的能量损耗。”马蒂奥利表示。
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