先进UWBG材料制造电晶体 性能及效率比硅更佳

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美国能源部旗下的桑迪亚国家实验室(Sandia National Laboratories)目前正在进行一项“超宽能带隙”(ultra-wide bandgap;UWBG)材料的半导体材料研究专案,欲探索以这项先进半导体材料而非传统硅原料制作出电晶体及二极体的可能性,且采用这项新材料可创造比硅更佳的效能表现。不过目前研究团队在开发、认识新材料上仍面临不少挑战,因此要见到UWBG产品问世恐仍要等待一段时日。

根据Phys.org网站报导,这项研究等于在为全新UWBG材料研究领域奠定科研基础,欲探索如何以更少的缺陷生成UWBG材料、了解UWBG材料的特性以及如何使用等,并计划运用UWBG材料的特性开发出不同以往采用硅材料装置的设计,且能够创造出较硅材料具备显著优势的UWBG新产品。

带领这项研究的电子工程师Bob Kaplar表示,这项研究目标是能够缩小电力供应规模及电力转换系统。此技术或有助开发出体积更小且更具效率的电力电子产品,进而让消费性电子及电网等终端应用领域受益。由于电力电子能透过转换电压、电流及电源频率,将电力从来源处转移至负载或用户端,因此对电子系统装置来说有其重要性。

能带隙(bandgap)能够协助确定电导率及电晶体*终性能,宽能带隙(WBG)材料则可让装置在更高电压、频率及温度下运行,目前正逐渐开始对电力转换系统产生影响。至于近来新兴的UWBG材料则更具吸引力,因为能提供比采用WBG材料更佳的装置运行优势,一旦以UWBG材料制成电晶体,将有助采用此电晶体材料的电动车、电网及电脑电源供应器等电子相关终端产品,具备大幅提升性能及效率的潜力。

另外,UWBG材料可创造的更快速切换特性,也有助开发体积更小的电容器及相关电路元件,进而有利于开发更小型化的整体电力系统。桑迪亚国家实验室已于2016年6月、7月在《Electronics Letters》期刊中,撰文分析由GaN及AIGaN制成的二极体性能表现,7月18日再于《Applied Physics Letters》期刊发布一项曾对外展示的高能带隙电子移动电晶体技术。

虽然Kaplar表示,上述3份研究彰显了在这块领域的研究进展,不过现阶段在开发UWBG电晶体及二极体上仍有许多挑战待克服及改善,例如仍不太了解其运作特性等,另一待克服困境在于应如何以*佳的方法生成新的UWBG半导体材料。研究人员也必须了解材料中的缺陷、如何将UWBG材料加工制成量产装置,以及改善磁感应等被动元件。

目前Kapler团队正与桑迪亚国家实验室其他领域专家共同研究,欲了解在一套系统内半导体与其他零组件之间的运作关系,借以了解其他零组件如何限制半导体所具备缩小电力转换规模的充分潜能。Kapler提到,UWBG材料也可应用于极端气候或辐射环境中,例如应用在卫星或核子武器等的制造上。

桑迪亚国家实验室及全球其他研究团队研究SiC及GaN等WBG材料已有约20年时间,近年桑迪亚国家实验室也有就AIGaN等下一代UWBG材料进行探***apler预期该团队现阶段研究在2017年9月结束后,将持续进行新的UWBG研究,包含科学及*终应用部分。

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