GaN纳米线晶体管在高电压下保持低温

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EPFL团队的设计可以承受高电场和超过1000V的电压而不损坏

瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的工程师们提出了一种基于GaN纳米线的新型高效功率晶体管，用于高电压应用。他们的研究成果发表在《自然电子》上。

除掉其他因素，转换器的发热是由高电阻引起的，这是电力电子器件的最大挑战。"我们每天都能看到电能损耗的例子，比如当你的笔记本电脑的充电器发热时，"论文的共同作者、EPFL的POWERlab负责人Elison Matioli说。

在大功率应用中，这就更成为一个问题。他补充说：“半导体元件的标称电压越高，电阻就越大。” 例如，功率损耗会缩短电动汽车的行驶里程，并降低可再生能源系统的效率。

Matioli与他的博士生Luca Nela及其团队一起开发了一种晶体管，可以大大降低电阻并削减大功率系统的散热量。更具体地说，它的电阻不到传统晶体管的一半，而保持的电压却超过1000V。

EPFL技术融合了两项关键创新。

第一项是在元件中建立几个导电通道，以便分配电流——就像在高速公路上增加新车道一样，让交通更加顺畅，防止交通拥堵。Nela说：“我们的多通道设计可分流电流，从而减少了电阻和发热。”

第二项创新涉及使用GaN纳米线。POWERlab展示了直径为15 nm的纳米线，并具有独特的漏斗状结构，使其能够支持高电场，并能承受超过1,000 V的电压而不被击穿。

得益于这两项创新的结合——允许更多电子流动的多通道设计以及增强纳米线电阻的漏斗结构——晶体管可以在大功率系统中提供更高的转换效率。“我们使用倾斜的纳米线构建的原型器件的性能是文献中最好的GaN功率器件的两倍。” Matioli说。

尽管工程师们的技术仍处于试验阶段，但大规模生产应该不会有什么大的障碍。Matioli说：“增加更多的通道是一件相当琐碎的事，我们纳米线的直径是英特尔制造的小型晶体管的两倍。”该团队已为其发明申请了多项专利。

拓展阅读

'Multi-channel nanowire devices for efficient power conversion' by L. Nela et al; Nature Electronics (2021)

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