Nature Electronics 电力电子首篇综述 - 功率器件的多维结构

功率半导体器件是电力电子的关键元件，是实现碳中和、能源发展等战略的关键技术。功率半导体广泛应用于消费电子、电动汽车、数据中心、高铁、电网等，其市场规模已经超过400亿美元。过去几年，基于碳化硅和氮化镓为代表的第三代半导体的功率器件在快充、电动汽车等应用中取得了巨大成功。基于氧化镓、氮化铝、金刚石为代表的第四代半导体的功率器件也在快速发展中。

11月17日，美国弗吉尼亚理工大学电力电子研究中心（CPES）Yuhao Zhang教授、英国剑桥大学Florin Udrea教授和美国南加州大学Han Wang教授共同在Nature Electronics发表题为“Multidimensional device architectures for efficient power electronics（面向电力电子的多维器件结构）”的综述文章。不同于半导体材料的传统视角，这篇文章创新性的提出多维结构（包括超结、多沟道、FinFET、trigate等）正在成为推进功率器件发展的一个重要动力。这些多维结构可以广泛应用于硅、第三代、第四代半导体，从而推进基于每种材料的功率器件和电力电子系统的性能提升。

这篇综述文章系统的阐述了传统1-D器件的局限，梳理了近期基于多维结构的硅、碳化硅、氮化镓功率器件性能，指出这些结构的使用让器件性能超过了材料本身的理论极限。随后，文章展开讨论了超结、多沟道、FinFET/trigate等多维结构的应用及相关器件物理。之后，文章创新性地讨论了多维结构的性能极限、品质因数(figure of merit)以及scaling law，并指出多维结构使得功率器件可以像CMOS一样通过scaling获得性能的不断提升。最后，文章简单回顾了相关的多维结构在射频器件中的应用。

这篇文章为功率器件的发展路线图提供了一个全新的视角，有望推动基于硅、第三代、第四代半导体的功率器件的进一步发展。

图1 . 多维结构可以打破传统1D器件的power capacity和开关频率的trade-off.

表1. 基于多维结构和1D结构功率器件的性能极限, scaling 参数以及材料品质因数(figure-of-merit).

Yuhao Zhang现在是美国弗吉尼亚理工大学电力电子研究中心(Center for Power Electronics Systems, CPES)助理教授，并领导该中心的器件和功率半导体研究。该中心由Fred Lee创立，现得到超过80家公司的资助，拥有电力电子领域基于高校的最大的产业联盟之一。Yuhao Zhang于2013年和2017年在麻省理工学院分别获得硕士及博士学位，并于2011年在北京大学物理系获得本科学位。Yuhao Zhang获得2017年麻省理工学院Microsystems Technology Laboratories最佳博士论文奖、2019年IEEE George Smith Award (IEEE EDL年度最佳论文奖)、2020年和2021年IEDM Conference Highlight荣誉、2021年美国National Science Foundation CAREER奖、2021年弗吉尼亚理工优秀助理教授奖、2022年弗吉尼亚理工Faculty Fellow奖。其博士生获得2021 APEC最佳报告奖、2021 IEEE Power Electronics Society最佳博士论文报告奖等奖项。

Florin Udrea是英国剑桥大学电子工程学院教授并领导高压电子和传感器实验室。Florin Udrea从1995年开始在剑桥大学任教，其领导的功率半导体研究在过去的25年享有国际盛誉。Florin Udrea发表了超过550篇文章并拥有超过150个专利，并成立了五家公司。Florin Udrea于2015年被评选为英国皇家工程院院士，获得英国皇家工程院银质奖章、2018年英国皇家Mullard奖章等奖项，并于2021年被Business weekly评委年度学术创业家。

Han Wang现在是美国南加州大学电子工程系副教授以及Robert G. and Mary G. Lane Endowed Early Career Chair，并领导台积电公司研究部门的低维材料研究。Han Wang于2013年在麻省理工学院获得博士学位，并于2006和2007年在英国剑桥大学获得本科和硕士学位。Han Wang获得2020年IEEE Nanotechnology Council优秀教师奖，2019年IEEE Nanotechnology Council Early Career奖，2018年Army Research Office Young Investigator奖，2018年南加大优秀年轻教授研究奖，2017年美国National Science Foundation CAREER奖，2013年MIT Jin-Au Kong最佳博士论文奖，2012年IEDM最佳论文奖和2010年CS MANTECH最佳学生论文奖。

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Multidimensional device architectures for efficient power electronics-Yuhao_Zhang.pdf