耐压能力超商用器件5倍！新型晶体管有望用于电动汽车等领域

瑞士洛桑联邦理工学院的研究人员开发出一种新型氮化镓晶体管，耐压能力接近4000伏，同时保持较低电阻。这一器件有望用于人工智能（AI）数据中心、可再生能源系统、电动汽车等高压电力电子领域。相关研究发表于新一期《自然·电子学》杂志。

研究人员开发的内禀极化超结晶体管。图片来源：瑞士洛桑联邦理工学院

晶体管是电子设备中控制电流通断的开关。几十年来，这类器件主要采用硅材料制造。近年来，氮化镓凭借体积小、效率高等优势，逐渐被用于手机充电器等电子设备。不过，在高电压下，氮化镓晶体管内部的电场容易集中在局部区域，使器件提前失效。因此，与硅器件相比，现有氮化镓器件的耐高压能力仍存在一定差距。目前商用氮化镓功率器件的击穿电压通常为600至650伏。

为突破这一瓶颈，研究人员开发出一种名为“内禀极化超结”的新型氮化镓晶体管。该器件由多层氮化镓材料构成，并以低成本硅作为衬底。氮化镓具有独特的晶体结构，其内部极化效应能够使电子聚集形成薄层，从而传导电流。但在传统氮化镓晶体管中，当器件关闭时，电子离开电流通道，留下的正电荷容易造成电荷失衡，使电压集中在局部区域，形成强电场并引发击穿。

研究人员利用氮化镓自身的极化特性，在电子层旁边自然形成一层正电荷，并通过调节材料层厚度，让正负电荷保持平衡。这样一来，晶体管关闭时，电荷不会集中在某个位置，电压能够更加均匀地分布在整个器件上，从而降低局部电场过强导致击穿的风险。测试显示，新型晶体管的耐压能力接近4000伏，超过商用氮化镓功率器件5倍。同时，该器件仍保持较低的导通电阻，有助于减少电能转换过程中的损耗和发热。

高耐压和低电阻对于下一代电力电子设备都十分重要。AI数据中心、可再生能源系统，以及电动汽车等设备，都需要功率电子器件在较高电压下稳定工作，同时尽可能减少能量损耗。此外，新型晶体管也不需要采用传统的化学掺杂方式控制电荷。

来源：科技日报

作者: 张佳欣