印度研究人员重新定义氮化镓功率器件 可用于电动汽车和数据中心

盖世汽车讯 据外媒报道，印度科学学院（Indian Institute of Science，IISc）的研究人员在设计氮化镓（GaN）功率晶体管方面取得了突破性进展，使其更安全、更易于在高价值电子产品（例如电动汽车和数据中心）中使用。相关研究成果发表于期《IEEE Transactions on Electron Devices》。

图片来源：印度科学学院

氮化镓可以显著降低能量损耗，并将功率转换器和其他电力电子模块的尺寸缩小三倍，但由于其栅极（控制电流流动）的能力有限，因此其普及速度缓慢。

目前商用的采用p型氮化镓（p-GaN）栅极的晶体管，其导通阈值电压（开启所需的栅极电压）很低，通常在1.5-2V之间。这类晶体管在5-6V以上也会开始出现漏电流。

此前，人们对这些晶体管的栅极如何控制以及阈值电压的决定因素缺乏基本的了解。印度科学学院电子系统工程系（Department of Electronic Systems Engineering，ESE）的研究人员开展了一项分为两部分的研究，旨在探究这些现象。

电子系统工程系教授兼系主任、该研究的通讯作者Mayank Shrivastava表示：“这项研究的独特之处在于两步法：我们首先建立了p型氮化镓耗尽态、泄漏路径和开启之间缺失的物理联系，然后利用这种理解设计了一种新的栅极堆叠，从而实现了更像‘MOSFET’的栅极行为。”

 在第一部分的研究中，印度科学学院的团队设计了几种新的栅极结构，并将电子测量结果与模型和显微镜观察结果相结合。他们发现，器件性能取决于p型氮化镓层是完全耗尽还是部分耗尽。当部分耗尽时，微小的泄漏路径决定了结果——如果正电荷在关键界面处积累，器件就会提前开启；如果这种积累受到抑制，耗尽就会先扩展，晶体管会在更高的阈值下稍后开启。

Mayank Shrivastava教授说：“令人惊讶的是，‘微小的’泄漏路径竟然能如此强烈地决定整个启动行为。”利用这些见解，该团队设计并展示了新型金属基栅极堆叠，可将栅极泄漏降低10,000倍，同时提高阈值稳定性，并将栅极击穿电压提高到约15.5V。

在第二部分的研究中，研究人员将这些基本见解转化为基于铝-氧化钛（aluminum–titanium oxide，AlTiO）的集成p型氮化镓栅极堆叠——这是一个全新的专利方案，可以抑制不必要的电荷注入，并强制高阈值耗尽扩展模式。

由此产生的器件达到了>4V的超高阈值电压——接近硅基MOSFET的水平——同时保持了强大的栅极控制，提高了阈值稳定性，并展现出超高的栅极击穿电压。

电子系统工程系博士生兼该研究的主要作者Rasik Rashid Malik表示：“这可以加快氮化镓在电动汽车电源转换器、服务器或数据中心电源、可再生能源逆变器以及其他高可靠性、高功率开关应用中的普及。”

这些进步可以促进氮化镓技术在可靠性、稳健性和性能裕度至关重要的应用领域的部署，从而为本土企业提供跨越式发展的机会，以提供先进的电子解决方案。

该团队目前正寻求通过政府支持、行业许可和合作关系等多种方式，以将这项技术推广到商业部署领域。