[據物理世界網站2019年5月6日報道] 近期，德國弗勞恩霍夫（Fraunhofer）應用固體物理研究所（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、柵極驅動器集成在一個氮化鎵半導體芯片上，大幅提升了氮化鎵功率集成電路電壓轉換器的功能，為制造更緊湊、更高效的電動車車載充電器奠定了帶來了希望。

電動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、壁式充電站或傳統插頭插座等方式充電，車載充電器是電動車必不可少的關鍵裝備。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，如電壓轉換器。

在單芯片上集成多個器件

德國弗勞恩霍夫（Fraunhofer）應用固體物理研究所（IAF）在電力電子器件單片集成研究領域已從事了多年研究。這項研究工作需要利用第三代半導體材料氮化鎵（GaN）將功率器件、控制電路、傳感器等器件集成到同一個半導體芯片上。2014年，研究人員成功在一個600伏級功率晶體管中集成了本征飛輪二極管和柵極驅動器。在此基礎上，研究人員又于2017年首次在400伏條件下成功運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伏級功率晶體管、本征飛輪二極管、柵極驅動器共同集成在一個尺寸僅為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”（GaNIAL）研究項目的一部分，研究人員對氮化鎵功率集成電路的所有功能特性進行了驗證，成功實現了電力電子系統集成密度的突破。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域氮化鎵技術的功能性。

用于直接控制的集成傳感器

與傳統電壓變換器相比，新研制的功率集成電路不僅具有更高的開關頻率和更高的功率密度；還提供了在芯片內部對芯片狀態進行快速、準確監測的功能。雖然基于氮化鎵的電力電子器件開關頻率的增加有助于越來越緊湊的設計，但這也對監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用器件。實現芯片內部集成后，可對晶體管電流進行無反饋測量，實現閉環控制和短路保護，且與應用傳統外部電流傳感器相比大幅節省了系統空間。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間距離而產生的溫度偏差。與以前的外部傳感器相比，集成的溫度傳感器能夠更快、更準確地測量熱臨界點。

氮化鎵電力電子器件與傳感器和控制電路的單片集成，節省了芯片表面空間，降低了裝配成本，提高了系統可靠性。這對于需要在有限空間內集成大量小型、高效系統以提高電遷移率等電學特性的應用領域十分關鍵。全新的氮化鎵單片功率集成電路芯片有望成為進一步開發更加緊湊的車載充電器的基礎。

利用氮化鎵材料獨一無二的特性

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體材料沉積在硅襯底上構成硅上氮化鎵（GaN-on-Si）的電力電子器件結構，使器件具有了優良的材料特性：電流平行于芯片表面流動，使所有的連接都位于芯片的頂部，并通過導體路徑連接。這種橫向結構的氮化鎵器件有助于在單一芯片上集成多個組件，如晶體管、驅動器、二極管和傳感器等。此外，與碳化硅等其他寬禁帶半導體材料相比，氮化鎵具有大的市場優勢: 氮化鎵可低成本、大面積的硅襯底上實現沉積，更適合于大規模的工業生產。（工業和信息化部電子第一研究所  李鐵成）