超快GaN器件可以保护电网免受电磁干扰
科学家们说，该设备是一个超高速二极管，代表着在保护国家电网免受电磁脉冲(EMP)影响方面迈出了重要的一步。研究人员表示，他们的最终目标是通过一个工作电压高达2万伏特的设备，提供对电压激增的保护，这可能导致长达数月的电力中断。
电磁脉冲可能是由自然现象(如太阳耀斑)或人类活动(如大气中的核爆炸)引起的。电磁脉冲能在十亿分之一秒内产生巨大的电压，可能影响和破坏全国大片地区的电子设备。
研究人员说，如果电磁脉冲发生并损坏了构成电网支柱的巨大变压器，更换它们并为全国受影响地区恢复供电可能需要数月时间。
桑迪亚一家半导体设备研究小组的经理Bob Kaplar说:“这些设备之所以能够保护电网不受电磁脉冲的影响，不仅仅是因为它们可以达到高电压——其他设备也可以达到高电压——还因为它们可以在十亿分之一秒内做出反应。”“虽然该设备正在保护电网免受电磁脉冲的影响，但它的电压非常高，有数千安培的电流通过，这是一笔巨大的电力。一种材料只能在一定的时间内处理这么多的功率，但我们认为我们二极管中的材料比其他材料有一些优势。”
研究人员正致力于制造一种能在2万伏特左右工作的二极管，因为大多数电网配电电子设备在1.3万伏特左右工作。二极管是几乎所有电子设备中都有的电子元件，它允许电流在设备中向一个方向流动，但不能向另一个方向流动——工作原理有点像管道系统中的单向调节阀。它们可以用来将交流电源转换成直流电源，并且在这个项目中，将破坏性的高压从敏感的电网变压器中转移出去。
“在调节阀中，即使你一直打开阀门，也不可能有无限多的水通过阀门，”Kaplar说。“同样，通过我们的二极管的电流是有限制的。如果管道上的阀门关闭，如果压力达到某一点，它就会爆炸。类似地，二极管不能阻挡无限电压。然而，我们的EMP设备使用二极管不能再阻塞高压的点，将电压保持在该‘压力’，将多余的电流通过自身分流到地面，以可控的、非破坏性的方式远离电网设备。”
研究人员说，电磁脉冲引起的电压涌动比雷击引起的电压涌动快一百倍，所以专家们不知道为保护电网免受雷击而设计的设备对电磁脉冲是否有效。
“电网有许多不同的保护措施，”团队中的桑迪亚电网弹性专家杰克·弗利克(Jack Flicker)说。“它们的时间范围从非常快到非常慢，它们覆盖在电网上，以确保某个事件不会造成电网的灾难性中断。我们通常在电网上使用的最快的防护措施是对百万分之一秒的脉冲做出反应，以防止闪电。对于电磁脉冲，我们说的是十亿分之一秒，快一百倍。”
研究人员说，新的Sandia设备能够做出如此快速的反应。这种二极管的特殊之处在于它是由氮化镓(GaN)制成的，这与led的基本材料相同。氮化镓是一种半导体，像硅一样，但由于其化学性质，它在分解之前可以比硅承受更高的电压。研究人员说，这种材料本身的反应也非常快，因此是实现保护电网免受电磁脉冲影响所需的快速反应的良好候选材料。
该器件是通过一种称为化学气相沉积的过程“生长”氮化镓半导体层而制成的。首先，研究人员将市售的氮化镓晶圆加热到约1800华氏度，然后加入含有镓和氮原子的蒸气。这些化学物质在晶圆表面形成结晶氮化镓层。
研究人员说，通过调整原料和“烘焙”过程，他们可以生产出具有不同电性能的层。通过以特定的顺序构建这些层，结合诸如蚀刻和添加电触点等加工步骤，他们能够生产出具有所需行为的设备。
“实现这些非常高电压二极管的一个主要挑战是需要非常厚的氮化镓层，”负责该项目二极管设计和制造的桑迪亚高级科学家Mary Crawford说。“这些设备的漂移区厚度约为50微米，相当于一张笔记本纸的六分之一。这听起来可能不多，但我们使用的生长过程的生长速度可能只有每小时一到两微米。第二个主要挑战是在整个生长过程中保持极低密度的晶体缺陷，特别是杂质或半导体材料中缺失的原子，以便产生在这些非常高的电压下工作的器件。”
研究人员说，为了达到他们的最终目标，即在2万伏特电压下工作的设备，他们需要在缺陷更少的情况下将厚层做得更厚。建造一个能在如此高的电压和电流下工作的设备还有其他几个技术挑战，包括如何管理设备内部非常高的电场。
研究人员测试了设备对快速电压峰值(类似于电磁脉冲)的响应情况，其中一个挑战是如何修改测量设备快速响应时间的工具。
“开发能够精确测量快速响应的工具非常困难，”团队中的桑迪亚电网弹性专家杰克·弗利克(Jack Flicker)说。“如果我们说的是十亿分之一秒或20亿分之一秒，他们需要能够更快地测量，这是一个挑战。”
因此，非常专业的设备被用来施加高压脉冲，并测量从二极管反射回来的电脉冲，以确定设备何时打开，非常精确，不到十亿分之一秒。研究人员说，除了保护电网不受电磁干扰外，像Sandia氮化镓二极管这样的设备还可以用于其他目的，包括电网的智能变压器，将屋顶太阳能电池板的电能转换为家用电器使用的电子设备，甚至是电动汽车充电基础设施。
通常，太阳能电池板转换器和电动汽车充电基础设施可以处理1200或1700伏的电压，但在更高的电压下运行可以提高效率和降低电力损耗。该项目的另一部分是为这些类型的设备开发二极管，这些器件工作在高电压下，但不是破纪录的电压，但更容易制造。
研究人员说，一些智能变压器和电子设备现在可以在高达3300伏特的电压下工作，但如果它们能用一个半导体设备在10,000或15,000伏特的电压下工作，效率将会更高。
“我们的首要目标是保护电网，但这些设备还有其他用途，”弗利克说。“有我们的应用领域是很有趣的，但要知道，这些设备可以用于电力电子、电源转换器，以及所有在非常高电压下的东西。”
更多信息请参见“带阶梯腐蚀结扩展的大面积垂直GaN p-n二极管中>6.0 kv击穿电压的演示”。
