【原】新突破|下一代功率电子？芬兰美国科学家合作，采用铍掺杂方法显著提升氮化镓材料性能，为功率系统作出重要贡献

物理学家在重新研究15年前的一些方法时取得了重要突破，他们发现了一种微观机制，可以使氮化镓半导体器件用于分配大功率的电子设备中。实现关键是能够在氮化镓材料中使用铍原子。该成果已发表于《物理快报》。

图 正电子加速器设备

研究背景

20世纪90年代后期科学家们开展了铍掺杂实验，希望掺杂铍的LED比镁灯效果更好。但这项工作并不成功，所以对铍的研究基本上被抛弃了。

目前氮化镓广泛用于LED、游戏机等消费电子，但对于功率远大于日常家庭娱乐设备时，需要在原子层面对氮化镓进行重新设计。芬兰阿尔托大学的Filip Tuomisto教授解释说：“电力电子行业对氮化镓的需求日益增长，为了能够处理电动汽车所需功率的电子器件，我们需要采用大面积的半绝缘半导体结构，这种特性能够最大限度的降低功率损耗，并能有效散热。为达到这个目的，把铍加入氮化镓（或掺杂）显示出了很好的前景。”

实现原理

阿尔托大学的研究人员通过与美国德克萨斯州和芬兰华沙的科学家合作，基于当今计算机建模和实验技术的进步，成功地证明铍实际上可以在氮化镓中起到很好的作用。对材料进行加热或者冷却能够改变铍原子的受主或者施主的性质，出现铍原子在栅格中作为替代或间隙原子两种位置。

如果铍掺杂的氮化镓结构及其电子性能可以得到充分的控制，那么电力电子的能量效率就能够进入全新时代。

Tuomisto说：“我们的研究结果为实验科学家提供了有关铍在制造过程中如何改变其行为的宝贵基础知识。研究已经发现，在高温环境下，被掺杂的化合物功能变化很大。”

重要意义

Tuomisto说：“铍掺杂的氮化镓器件带来的能源效率变化幅度巨大，可能与传统白炽灯泡和LED灯的差距相似，未来通过减少能源损失，可以将全球能源分布系统中的能源消耗降低10％。”

参考文献

Filip Tuomisto, Vera Prozheeva, Ilja Makkonen, Thomas H. Myers, Michal Bockowski, Henryk Teisseyre. Amphoteric Be in GaN: Experimental Evidence for Switching between Substitutional and Interstitial Lattice Sites. Physical Review Letters, 2017; 119 (19) DOI:10.1103/PhysRevLett.119.196404