[據(jù)物理世界網(wǎng)站2019年5月6日報(bào)道] 近期，德國弗勞恩霍夫（Fraunhofer）應(yīng)用固體物理研究所（IAF）的研究人員在氮化鎵功率器件研究領(lǐng)域取得重大突破，成功將電流和溫度傳感器、功率晶體管、本征飛輪二極管、柵極驅(qū)動(dòng)器集成在一個(gè)氮化鎵半導(dǎo)體芯片上，大幅提升了氮化鎵功率集成電路電壓轉(zhuǎn)換器的功能，為制造更緊湊、更高效的電動(dòng)車車載充電器奠定了帶來了希望。

電動(dòng)車需要具備更加靈活的充電方式，才能更具市場競爭力。為了盡可能方便使用交流電充電站、壁式充電站或傳統(tǒng)插頭插座等方式充電，車載充電器是電動(dòng)車必不可少的關(guān)鍵裝備。由于需要在汽車上攜帶，車載充電器必須盡可能地小巧和輕便，且具有較高的成本效益。因此，需要非常緊湊而高效的電力電子系統(tǒng)，如電壓轉(zhuǎn)換器。

在單芯片上集成多個(gè)器件

德國弗勞恩霍夫（Fraunhofer）應(yīng)用固體物理研究所（IAF）在電力電子器件單片集成研究領(lǐng)域已從事了多年研究。這項(xiàng)研究工作需要利用第三代半導(dǎo)體材料氮化鎵（GaN）將功率器件、控制電路、傳感器等器件集成到同一個(gè)半導(dǎo)體芯片上。2014年，研究人員成功在一個(gè)600伏級(jí)功率晶體管中集成了本征飛輪二極管和柵極驅(qū)動(dòng)器。在此基礎(chǔ)上，研究人員又于2017年首次在400伏條件下成功運(yùn)行了氮化鎵半橋單片集成電路。

近期，他們又取得了最新的研究成果，首次將電流和溫度傳感器、600伏級(jí)功率晶體管、本征飛輪二極管、柵極驅(qū)動(dòng)器共同集成在一個(gè)尺寸僅為4×3 mm²的單片氮化鎵功率集成電路芯片中。作為“基于氮化鎵的集成高效電力電子技術(shù)”（GaNIAL）研究項(xiàng)目的一部分，研究人員對氮化鎵功率集成電路的所有功能特性進(jìn)行了驗(yàn)證，成功實(shí)現(xiàn)了電力電子系統(tǒng)集成密度的突破。通過在氮化鎵芯片上集成傳感器，研究人員成功大幅提升了電力電子領(lǐng)域氮化鎵技術(shù)的功能性。

用于直接控制的集成傳感器

與傳統(tǒng)電壓變換器相比，新研制的功率集成電路不僅具有更高的開關(guān)頻率和更高的功率密度；還提供了在芯片內(nèi)部對芯片狀態(tài)進(jìn)行快速、準(zhǔn)確監(jiān)測的功能。雖然基于氮化鎵的電力電子器件開關(guān)頻率的增加有助于越來越緊湊的設(shè)計(jì)，但這也對監(jiān)測和控制提出了更高的要求。這意味著，在同一芯片中集成傳感器將帶來巨大的優(yōu)勢。

以前，電流和溫度傳感器相對于氮化鎵芯片來說都屬于外部應(yīng)用器件。實(shí)現(xiàn)芯片內(nèi)部集成后，可對晶體管電流進(jìn)行無反饋測量，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制和短路保護(hù)，且與應(yīng)用傳統(tǒng)外部電流傳感器相比大幅節(jié)省了系統(tǒng)空間。通過單片集成的溫度傳感器能夠直接測量功率晶體管的溫度，因此消除了因傳感器與測量點(diǎn)間距離而產(chǎn)生的溫度偏差。與以前的外部傳感器相比，集成的溫度傳感器能夠更快、更準(zhǔn)確地測量熱臨界點(diǎn)。

氮化鎵電力電子器件與傳感器和控制電路的單片集成，節(jié)省了芯片表面空間，降低了裝配成本，提高了系統(tǒng)可靠性。這對于需要在有限空間內(nèi)集成大量小型、高效系統(tǒng)以提高電遷移率等電學(xué)特性的應(yīng)用領(lǐng)域十分關(guān)鍵。全新的氮化鎵單片功率集成電路芯片有望成為進(jìn)一步開發(fā)更加緊湊的車載充電器的基礎(chǔ)。

利用氮化鎵材料獨(dú)一無二的特性

在制作新型單片集成電路的過程中，研究人員將氮化鎵半導(dǎo)體材料沉積在硅襯底上構(gòu)成硅上氮化鎵（GaN-on-Si）的電力電子器件結(jié)構(gòu)，使器件具有了優(yōu)良的材料特性：電流平行于芯片表面流動(dòng)，使所有的連接都位于芯片的頂部，并通過導(dǎo)體路徑連接。這種橫向結(jié)構(gòu)的氮化鎵器件有助于在單一芯片上集成多個(gè)組件，如晶體管、驅(qū)動(dòng)器、二極管和傳感器等。此外，與碳化硅等其他寬禁帶半導(dǎo)體材料相比，氮化鎵具有大的市場優(yōu)勢: 氮化鎵可低成本、大面積的硅襯底上實(shí)現(xiàn)沉積，更適合于大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)。（工業(yè)和信息化部電子第一研究所  李鐵成）