量化半导体器件中的电场：示意图显示了 GaN 晶体管沟道中的电场分布； 激光束突出了该技术的二次谐波生成 (SHG) 特性。 图片来源：曹育科
布里斯托大学的研究人员发现了一种方法，可以实现更快的通信系统和更好的节能电子设备。
这一突破是通过首次确定如何远程测量半导体器件内部的电场而取得的。 半导体是一种材料，例如硅，可用于电子设备以控制电流。
现在，在这项于 21 年 2021 月 XNUMX 日发表的新研究中， 自然电子，科学家们概述了如何精确量化这个电场，这意味着可以开发下一代电力和射频电子设备，它们具有更快、更可靠和更节能的潜力。
半导体器件设计可以反复试验，但更常见的是它基于器件模拟，然后为实际应用的半导体器件制造提供基础。 当这些是新兴的半导体材料时，通常不知道这些模拟实际上有多准确和正确。
布里斯托尔大学物理学院的 Martin Kuball 教授说：“半导体可以用来传导正电荷或负电荷，因此可以设计成调节和操纵电流。 然而，这些半导体器件并不止于硅，还有许多其他半导体器件，包括氮化镓（例如用于蓝色 LED）。 这些半导体设备，例如将来自电源线的交流电流转换为直流电流，会导致能量作为废热损失——例如，看看您的笔记本电脑，电源砖正在变热甚至变热。 如果我们能够提高效率并减少这种废热，我们就会节约能源。
“一个人向电子设备施加电压，结果是在应用中使用了输出电流。 该电子设备内部有一个电场，它决定了该设备的工作方式、运行时间以及运行状况。 没有人能够真正测量这个电场，它对设备的操作至关重要。 人们总是依赖于很难相信的模拟，除非您可以实际测试其准确性。”
为了使这些新材料具有良好的性能和持久的电子设备，研究人员找到最佳设计非常重要，其中电场不超过会导致其退化或故障的临界值。 专家计划使用氮化镓和氧化镓等新兴材料而不是硅，分别允许在更高的频率和更高的电压下运行，从而使减少能量损失的新电路成为可能。 布里斯托大学小组发表的这项工作将提供一种光学工具，可以直接测量这些新设备内的电场。 这将为未来高效电力电子设备的应用提供支持，例如向国家电网、电动汽车、火车和飞机供电的太阳能或风力涡轮机站。 减少能源损失意味着社会一开始就不需要生产那么多的能源。
Kuball 教授说：“考虑到这些设备在更高的电压下运行，这也意味着设备中的电场更高，这反过来意味着它们更容易出现故障。 我们开发的新技术使我们能够量化设备内的电场，从而对设备模拟进行准确校准，进而设计电子设备，使电场不会超过临界限制并发生故障。”
Kuball 教授和他的团队计划与主要的工业利益相关者合作，应用该技术来推进他们的设备技术。 在学术背景下，他们将与他们合作的价值 12 万美元的美国能源部 (DOE) ULTRA 中心内的合作伙伴合作，使用该技术使超宽带隙设备技术成为现实，从而节省超过全球 10%。
“这一发展有助于英国和世界开发节能半导体设备，这是迈向碳中和社会的一步，”他补充说。
该技术是作为工程和物理科学研究委员会 (EPSRC) 项目的一部分开发的。
参考：“亚微米分辨率宽带隙半导体器件的电场映射”，作者：Yuke Cao、James W. Pomeroy、Michael J. Uren、Feiyuan Yang 和 Martin Kuball，21 年 2021 月 XNUMX 日， 自然电子.
DOI: 10.1038/s41928-021-00599-5
