尖端科技領(lǐng)域的鏗鏘玫瑰

孫雅琴

任娜

在工業(yè)界，新能源汽車的熱度頻頻攀升，而小米造車信息的發(fā)布，無疑為新能源汽車又添了一把火。資本的加入，政策的扶持，讓新能源車企市值一路飆升，關(guān)于新能源汽車的討論也甚囂塵上。作為未來新能源汽車電控系統(tǒng)的CPU，基于第三代半導(dǎo)體碳化硅（SiC）材料的新型電力電子器件也逐漸走進(jìn)人們的視野。

近些年，新型電力電子器件在多項(xiàng)創(chuàng)新領(lǐng)域均發(fā)揮重要作用。例如，在2020年國家提出來的中國新基建中，5G基站、特高壓、城際高鐵和軌道交通、新能源汽車充電樁、大數(shù)據(jù)中心、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，每一項(xiàng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展都離不開新型電力電子器件技術(shù)的支撐。

雖然新型電力電子器件在新能源建設(shè)中發(fā)揮著舉足輕重的作用，但從國際市場競爭格局來看，美國和歐洲仍處于國際領(lǐng)先地位。而業(yè)內(nèi)人士一致認(rèn)為，新型電力電子器件的引入將帶來電力電子技術(shù)的新一輪革命，并將影響世界的能源變換，為創(chuàng)建節(jié)能環(huán)保型社會(huì)產(chǎn)生重大作用。所以，新型電力電子器件技術(shù)研究方向?qū)χ袊酥寥虻慕?jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)都有著非常重大的意義。而浙江大學(xué)副研究員任娜的攻關(guān)方向正是基于碳化硅半導(dǎo)體材料的新型電力電子器件。

定方向 勇攀峰

對(duì)于專業(yè)的選擇，任娜有自己獨(dú)特的眼光。2006年，她進(jìn)入武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，學(xué)習(xí)電力系統(tǒng)及自動(dòng)化，這在當(dāng)時(shí)是對(duì)口國家電網(wǎng)“鐵飯碗”的專業(yè)。2010年，本科畢業(yè)，成績優(yōu)異的她被保送至浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，轉(zhuǎn)學(xué)電力電子專業(yè)。

為什么要換專業(yè)？任娜說，這里面有一段淵源。

任娜來到浙江大學(xué)時(shí)，正好遇到2009年從美國回到浙大任教的盛況教授，盛教授在美國新澤西州立大學(xué)拿到終身教職之后，放棄國外優(yōu)厚待遇，毅然投身于國內(nèi)貧瘠的電力電子器件和功率半導(dǎo)體行業(yè)。作為長期從事硅基和碳化硅電力電子器件、封裝及應(yīng)用研究的科學(xué)家，盛教授深知中國當(dāng)時(shí)與世界領(lǐng)先隊(duì)伍的差距，但他依然傾注全力，因?yàn)樗溃汉芏嗪诵募夹g(shù)，一旦被研發(fā)出來，就能迅速地顛覆一個(gè)產(chǎn)品甚至一個(gè)時(shí)代。

盛教授對(duì)新型電力電子器件研究現(xiàn)狀的描述和對(duì)未來發(fā)展的暢想刺激了任娜。碳化硅電力電子器件在當(dāng)時(shí)國際上已成為研究熱點(diǎn)，而國內(nèi)在這一研究領(lǐng)域才剛剛起步，任娜相信，在盛教授的帶領(lǐng)下，他們可以把國內(nèi)的電力電子器件與功率半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展壯大。俗話說，起點(diǎn)低并不可怕，可怕的是境界低。在了解行業(yè)重要但技術(shù)落后的背景后，任娜果斷選擇了碳化硅電力電子器件研究方向，并進(jìn)入盛教授創(chuàng)建的浙江大學(xué)電力電子器件實(shí)驗(yàn)室，成為國內(nèi)較早開展碳化硅電力電子器件研發(fā)團(tuán)隊(duì)的一員。

事實(shí)也證明，任娜的選擇很有前瞻性。在大力發(fā)展新能源的今天，電力電子器件技術(shù)的重要程度已經(jīng)不言而喻。只是放眼十年前，她的選擇還是很有勇氣和魄力。

當(dāng)然，她的勇氣和魄力還遠(yuǎn)不止于此。博士期間，任娜曾多次參加國際學(xué)術(shù)會(huì)議，關(guān)注世界電力電子行業(yè)的發(fā)展格局。當(dāng)時(shí)，美國和歐洲的技術(shù)最為先進(jìn)。所以，臨近博士畢業(yè)時(shí)，一個(gè)前往美國加州大學(xué)洛杉磯分校從事博士后研究的機(jī)會(huì)降臨了，任娜毫不猶豫地抓住了。她說：“我要學(xué)習(xí)他們的先進(jìn)技術(shù)，然后回國用新興技術(shù)報(bào)效祖國。”

到了美國以后，任娜的學(xué)習(xí)一刻也不敢停歇。她發(fā)現(xiàn)，美國當(dāng)時(shí)已經(jīng)有很多企業(yè)想要進(jìn)入電力電子器件行業(yè)，但是因?yàn)榧夹g(shù)門檻高，所以需要尋求高校合作聯(lián)合開發(fā)碳化硅電力電子器件產(chǎn)品技術(shù)。這給了任娜鍛煉能力的機(jī)會(huì)。博士后期間，她先后主導(dǎo)了兩項(xiàng)大型校企合作項(xiàng)目?！斑@些項(xiàng)目讓我了解了如何把實(shí)驗(yàn)室的科研成果應(yīng)用到企業(yè)產(chǎn)品中，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，也讓我了解了科學(xué)研究與產(chǎn)業(yè)化之間的鴻溝如何彌補(bǔ)，為我回國后繼續(xù)從事碳化硅電力電子器件技術(shù)的研究奠定了基礎(chǔ)?！?/p>

從未知到成熟，任娜一直致力于碳化硅（SiC）電力電子器件的相關(guān)研究，其中包括SiC二極管和金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）器件的物理機(jī)制、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝技術(shù)、芯片研制、器件測試與失效分析、性能與可靠性優(yōu)化等方向，并取得了一系列研究成果。例如，在器件領(lǐng)域國際知名期刊與會(huì)議上共發(fā)表40篇論文，其中SCI論文23篇，獲得了3項(xiàng)美國專利，并獲得2017屆電力電子領(lǐng)域國際學(xué)術(shù)會(huì)議（APEC）杰出報(bào)告獎(jiǎng)等。

一路走來，任娜一直踏踏實(shí)實(shí)地走好每一步。在其博士期間，導(dǎo)師盛教授作為我國電力電子器件領(lǐng)域唯一的“長江學(xué)者”和國家自然科學(xué)基金委杰出青年科學(xué)基金獲得者，對(duì)任娜嚴(yán)格要求，悉心栽培。也因此，任娜繼承了導(dǎo)師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)術(shù)作風(fēng)和清晰的邏輯思維。博士后期間，在電力電子器件學(xué)習(xí)的殿堂，任娜又繼續(xù)精進(jìn)了自己在技術(shù)方面的學(xué)習(xí)，深入國際間的交流與合作，并積累同行業(yè)的人脈資源。無論是國內(nèi)還是國外，在日積月累中，任娜已在不知不覺間高高地站在了學(xué)術(shù)前沿。

挑戰(zhàn)難題 報(bào)效祖國

2019年9月，任娜回國，任教于浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，并于2020年3月雙聘至浙江大學(xué)杭州國際科創(chuàng)中心先進(jìn)半導(dǎo)體研究院，研究工作主要包括SiC二極管和MOSFET器件的可靠性研究與器件優(yōu)化設(shè)計(jì)、新型溝槽型SiC MOSFET器件技術(shù)、超高壓SiC門極可關(guān)斷晶閘管器件技術(shù)等。

在最近入選的浙大科創(chuàng)中心青年人才卓越計(jì)劃中，任娜計(jì)劃挑戰(zhàn)兩大領(lǐng)域難點(diǎn)：一是突破現(xiàn)有器件性能的碳化硅溝槽柵極MOSFET技術(shù)，二是研制超高壓碳化硅門極可關(guān)斷晶閘管器件。

在SiC電力電子器件行業(yè)，MOSFET器件是中低壓應(yīng)用領(lǐng)域最具市場潛力的開關(guān)管類型，但現(xiàn)有的平面柵極MOSFET技術(shù)路線面臨比導(dǎo)通電阻較大、單位面積導(dǎo)通電流能力受限的問題。如何打破該性能極限，進(jìn)一步大幅度提高功率器件的性能，是擺在碳化硅MOSFET器件領(lǐng)域面前的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。

項(xiàng)目中，任娜將針對(duì)近年來國際上興起的新型溝槽柵極MOSFET器件技術(shù)，探索溝槽柵極結(jié)構(gòu)溝道遷移率的影響機(jī)制和先進(jìn)的溝槽柵氧工藝技術(shù)，研究芯片內(nèi)部電場分布調(diào)控機(jī)制和方法，開發(fā)碳化硅溝槽刻蝕、柵氧生長、溝槽填充和注入形成電場屏蔽結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵工藝，實(shí)現(xiàn)高性能和高可靠的碳化硅溝槽型MOSFET器件，大幅度提高碳化硅芯片的導(dǎo)通電流密度，突破現(xiàn)有器件性能的水平。

雖然挑戰(zhàn)的難度很大，但多年的行業(yè)浸潤和知識(shí)積累，讓任娜充滿斗志。她說：“科研多年，經(jīng)常遇到仿真不收斂、工藝技術(shù)開發(fā)失敗、器件性能不符合預(yù)期等困難，但是遇到問題是解決問題的起點(diǎn)，遇到問題不可怕，可怕的是沒有堅(jiān)持用正確的方法去不斷努力攻克它，我相信，每努力一次就離成功更近一步。”

除了突破現(xiàn)有器件技術(shù)，任娜還將挑戰(zhàn)超高壓碳化硅門極可關(guān)斷晶閘管的研制。她解釋說，如今，電力電子器件已經(jīng)發(fā)展到了第三代，即以新型寬禁帶半導(dǎo)體材料SiC和GaN為代表的器件技術(shù)，但目前電力系統(tǒng)等高壓大功率應(yīng)用仍然使用傳統(tǒng)硅基大功率器件或模塊，這限制了系統(tǒng)效率的提升和小型化、輕量化目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。而碳化硅門極可關(guān)斷晶閘管在高壓大功率系統(tǒng)中的應(yīng)用，可以減少器件數(shù)量、降低功率損耗、提高系統(tǒng)效率、減少冷卻設(shè)備、縮小系統(tǒng)體積，所以，研制超高壓碳化硅門極可關(guān)斷晶閘管器件對(duì)國家在能源領(lǐng)域的發(fā)展意義重大。

然而，超高壓碳化硅門極可關(guān)斷晶閘管的研制也面臨很多技術(shù)挑戰(zhàn)：碳化硅材料缺陷對(duì)器件內(nèi)部載流子壽命的影響機(jī)制和遏制技術(shù)還未探明，碳化硅材料缺陷將導(dǎo)致雙極型器件性能發(fā)生退化，影響器件的可靠性，碳化硅門極可關(guān)斷晶閘管的物理理論和器件模型尚不成熟，碳化硅器件的制造工藝十分復(fù)雜，與傳統(tǒng)硅器件的工藝相差較大，需要自主開發(fā)相關(guān)的工藝技術(shù)和工藝平臺(tái)，碳化硅門極可關(guān)斷晶閘管器件與系統(tǒng)應(yīng)用的結(jié)合，需要設(shè)計(jì)特殊的門極驅(qū)動(dòng)和電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

但任娜心里清楚，未來，電力電子器件的發(fā)展必定會(huì)朝著更小、更輕、更快、更高效、更可靠的方向發(fā)展。因此，她將全力以赴，爭取獲得碳化硅電力電子器件領(lǐng)域的突破性研究成果。

除了青年人才卓越計(jì)劃，近期內(nèi)，任娜的國家自然科學(xué)基金青年基金、臺(tái)達(dá)電力電子科教發(fā)展基金項(xiàng)目也將同步進(jìn)行。雖然事務(wù)繁忙，但她說，“人要是對(duì)自己沒要求，那就什么事都做不成”。

未來，任娜希望自己可以開發(fā)出具有國際一流水平的碳化硅電力電子器件技術(shù)，以自身之力，為國家在能源領(lǐng)域的重大戰(zhàn)略發(fā)展做出應(yīng)有貢獻(xiàn)?！拔蚁Ｍ?，未來人類社會(huì)可以更多地從我們今天的大量科學(xué)研究成果中獲益，這也是我們科研活動(dòng)的最終目標(biāo)?！睂?duì)于科研的前行之路，任娜如是說。