功率半導體器件是電力電子的關(guān)鍵元件，是實現(xiàn)碳中和、能源發(fā)展等戰(zhàn)略的關(guān)鍵技術(shù)。功率半導體廣泛應用于消費電子、電動汽車、數(shù)據(jù)中心、高鐵、電網(wǎng)等，其市場規(guī)模已經(jīng)超過400億美元。過去幾年，基于碳化硅和氮化鎵為代表的第三代半導體的功率器件在快充、電動汽車等應用中取得了巨大成功。基于氧化鎵、氮化鋁、金剛石為代表的第四代半導體的功率器件也在快速發(fā)展中。

11月17日，美國弗吉尼亞理工大學電力電子研究中心（CPES）Yuhao Zhang教授、英國劍橋大學Florin Udrea教授和美國南加州大學Han Wang教授共同在Nature Electronics發(fā)表題為“Multidimensional device architectures for efficient power electronics（面向電力電子的多維器件結(jié)構(gòu)）”的綜述文章。不同于半導體材料的傳統(tǒng)視角，這篇文章創(chuàng)新性的提出多維結(jié)構(gòu)（包括超結(jié)、多溝道、FinFET、trigate等）正在成為推進功率器件發(fā)展的一個重要動力。這些多維結(jié)構(gòu)可以廣泛應用于硅、第三代、第四代半導體，從而推進基于每種材料的功率器件和電力電子系統(tǒng)的性能提升。

這篇綜述文章系統(tǒng)的闡述了傳統(tǒng)1-D器件的局限，梳理了近期基于多維結(jié)構(gòu)的硅、碳化硅、氮化鎵功率器件性能，指出這些結(jié)構(gòu)的使用讓器件性能超過了材料本身的理論極限。隨后，文章展開討論了超結(jié)、多溝道、FinFET/trigate等多維結(jié)構(gòu)的應用及相關(guān)器件物理。之后，文章創(chuàng)新性地討論了多維結(jié)構(gòu)的性能極限、品質(zhì)因數(shù)(figure of merit)以及scaling law，并指出多維結(jié)構(gòu)使得功率器件可以像CMOS一樣通過scaling獲得性能的不斷提升。最后，文章簡單回顧了相關(guān)的多維結(jié)構(gòu)在射頻器件中的應用。

這篇文章為功率器件的發(fā)展路線圖提供了一個全新的視角，有望推動基于硅、第三代、第四代半導體的功率器件的進一步發(fā)展。

圖1 . 多維結(jié)構(gòu)可以打破傳統(tǒng)1D器件的power capacity和開關(guān)頻率的trade-off.

表1. 基于多維結(jié)構(gòu)和1D結(jié)構(gòu)功率器件的性能極限, scaling 參數(shù)以及材料品質(zhì)因數(shù)(figure-of-merit).

Yuhao Zhang現(xiàn)在是美國弗吉尼亞理工大學電力電子研究中心(Center for Power Electronics Systems, CPES)助理教授，并領(lǐng)導該中心的器件和功率半導體研究。該中心由Fred Lee創(chuàng)立，現(xiàn)得到超過80家公司的資助，擁有電力電子領(lǐng)域基于高校的最大的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟之一。Yuhao Zhang于2013年和2017年在麻省理工學院分別獲得碩士及博士學位，并于2011年在北京大學物理系獲得本科學位。Yuhao Zhang獲得2017年麻省理工學院Microsystems Technology Laboratories最佳博士論文獎、2019年IEEE George Smith Award (IEEE EDL年度最佳論文獎)、2020年和2021年IEDM Conference Highlight榮譽、2021年美國National Science Foundation CAREER獎、2021年弗吉尼亞理工優(yōu)秀助理教授獎、2022年弗吉尼亞理工Faculty Fellow獎。其博士生獲得2021 APEC最佳報告獎、2021 IEEE Power Electronics Society最佳博士論文報告獎等獎項。

Florin Udrea是英國劍橋大學電子工程學院教授并領(lǐng)導高壓電子和傳感器實驗室。Florin Udrea從1995年開始在劍橋大學任教，其領(lǐng)導的功率半導體研究在過去的25年享有國際盛譽。Florin Udrea發(fā)表了超過550篇文章并擁有超過150個專利，并成立了五家公司。Florin Udrea于2015年被評選為英國皇家工程院院士，獲得英國皇家工程院銀質(zhì)獎?wù)隆?018年英國皇家Mullard獎?wù)碌泉勴?，并?021年被Business weekly評委年度學術(shù)創(chuàng)業(yè)家。

Han Wang現(xiàn)在是美國南加州大學電子工程系副教授以及Robert G. and Mary G. Lane Endowed Early Career Chair，并領(lǐng)導臺積電公司研究部門的低維材料研究。Han Wang于2013年在麻省理工學院獲得博士學位，并于2006和2007年在英國劍橋大學獲得本科和碩士學位。Han Wang獲得2020年IEEE Nanotechnology Council優(yōu)秀教師獎，2019年IEEE Nanotechnology Council Early Career獎，2018年Army Research Office Young Investigator獎，2018年南加大優(yōu)秀年輕教授研究獎，2017年美國National Science Foundation CAREER獎，2013年MIT Jin-Au Kong最佳博士論文獎，2012年IEDM最佳論文獎和2010年CS MANTECH最佳學生論文。