布里斯託大學的一支研究團隊，剛剛發現了一種能夠實現更快的通信系統、並且讓電子設備更加節能的新方法。據悉，這項研究的重點，在於突破性地通過遠程方式，測得了半導體器件內部的電場。以常見的硅基半導體材料為例，其特點是能夠控制電子設備的電流，此外還有氮化鎵（GaN）等新型半導體方案。
半導體器件中的量化電場，上圖展示了氮化鎵晶體管溝道中的電場分佈，激光束則凸顯了這項技術的二次諧波生成（SHG）特性。（圖自：Yuke Cao）
在 2021 年 6 月 21 日發表於《自然電子學》（Nature Electronics）上的新論文中，科學家們概述了他們是如何精確量化該電場的，意味着能夠開發出具有更快潛力的下一代功率與射頻電子器件，同時讓它變得更加可靠和節能。
傳統半導體器件的研發設計，可以通過反覆試驗來進行。但目前更常見的，還是基於器件的模擬，然後為實際應用的半導體器件製造提供理論等方面的基礎。
不過在涉及新興的半導體材料時，研究人員通常也難以估量這些模擬實際上有多準確。
研究配圖 – 1：氮化鎵 HEMT 上的 EFISHG 實驗示意與器件信息
布里斯托爾大學物理學院的 Martin Kuball 教授表示：“半導體可用於傳導正負電荷，並被設計成能夠調節和操縱電流。然而相關理論並不僅限於硅基半導體，比如此前常用於藍光 LED 的氮化鎵”。
以能夠將交流電轉換成直流電的開關型電源適配器為例，其一大短板就是會產生廢熱損失。想想那些體型大如磚頭的筆記本電腦電源適配器，如果我們能夠提升其轉換效率並減少廢熱，即可達成節約能源的目的。
研究配圖 – 2：氮化鎵 HEMT 器件中的電場分佈
研究人員指出，當向電子設備施加電壓時，另一端就可輸出電流。而電子設備內部形成的電場，就決定了設備的工作方式、運行時間、以及狀態信息。
此前無人能真正測量到這個電場，但它對設備的操作至關重要。畢竟只依賴於模擬方案，其可信度是相當一般的，除非你可以實現精準的測量。
研究配圖 – 3：晶圓 A / B 上的器件仿真結果
為了使這些新材料具有良好的性能、並用於打造持久耐用的電子設備，研究人員需要努力找到最佳的設計方案。換言之，電子器件中的電場，不該超過會導致其退化或故障的臨界值。
為此，專家們紛紛將目光瞄向了氮化鎵等新興材料、而不是傳統硅基半導體方案。其允許在更高的頻率和電壓下運行，從而減少能量損失、並催生新興的電路應用。
研究配圖 – 4：面內電場（模擬信道）在橫向空間的分辨率
布里斯託大學研究團隊新發表的這篇新文章，就着重介紹了《亞微米分辨率下的寬帶隙半導體器件的電場映射》。相關突破得益於一種新型光學工具，它能夠用於直接測量這些新裝置中的電場。
此舉為將來高效能電力電子應用提供了有力的支撐，從而推動向國家電網、電動汽車、高鐵、航空器等供電的太陽能或風力渦輪機的進一步發展。
擴展數據圖 – 1：用於 EFISHG 測量的光學裝置示意圖
Martin Kuball 教授指出，這些設備能夠在更高的電壓下運行，意味着其中的電場更高、也更容易出現故障。
而他們新開發的技術，能夠更加量化地測量設備內的電場，從而提供準確校準的模擬數據，進而推動電子設備的設計發展，使之不因電場超過臨界限制而發生故障。
如果一切順利，這項技術有望讓超寬帶隙設備技術成為現實，從而節省全球超過 10% 的能源。