孙雅琴

　　
　　
　　在工业界，新能源汽车的热度频频攀升，而小米造车信息的发布，无疑为新能源汽车又添了一把火。资本的加入，政策的扶持，让新能源车企市值一路飙升，关于新能源汽车的讨论也甚嚣尘上。作为未来新能源汽车电控系统的CPU，基于第三代半导体碳化硅（SiC）材料的新型电力电子器件也逐渐走进人们的视野。
　　近些年，新型电力电子器件在多项创新领域均发挥重要作用。例如，在2020年国家提出来的中国新基建中，5G基站、特高压、城际高铁和轨道交通、新能源汽车充电桩、大数据中心、人工智能、工业互联网，每一项产业的发展都离不开新型电力电子器件技术的支撑。
　　虽然新型电力电子器件在新能源建设中发挥着举足轻重的作用，但从国际市场竞争格局来看，美国和欧洲仍处于国际领先地位。而业内人士一致认为，新型电力电子器件的引入将带来电力电子技术的新一轮革命，并将影响世界的能源变换，为创建节能环保型社会产生重大作用。所以，新型电力电子器件技术研究方向对中国乃至全球的经济社会发展和环境保护都有着非常重大的意义。而浙江大学副研究员任娜的攻关方向正是基于碳化硅半导体材料的新型电力电子器件。
　　
定方向 勇攀峰
　　对于专业的选择，任娜有自己独特的眼光。2006年，她进入武汉大学电气工程学院，学习电力系统及自动化，这在当时是对口国家电网“铁饭碗”的专业。2010年，本科毕业，成绩优异的她被保送至浙江大学电气工程学院，转学电力电子专业。
　　为什么要换专业？任娜说，这里面有一段渊源。
　　任娜来到浙江大学时，正好遇到2009年从美国回到浙大任教的盛况教授，盛教授在美国新泽西州立大学拿到终身教职之后，放弃国外优厚待遇，毅然投身于国内贫瘠的电力电子器件和功率半导体行业。作为长期从事硅基和碳化硅电力电子器件、封装及应用研究的科学家，盛教授深知中国当时与世界领先队伍的差距，但他依然倾注全力，因为他知道：很多核心技术，一旦被研发出来，就能迅速地颠覆一个产品甚至一个时代。
　　盛教授对新型电力电子器件研究现状的描述和对未来发展的畅想刺激了任娜。碳化硅电力电子器件在当时国际上已成为研究热点，而国内在这一研究领域才刚刚起步，任娜相信，在盛教授的带领下，他们可以把国内的电力电子器件与功率半导体行业发展壮大。俗话说，起点低并不可怕，可怕的是境界低。在了解行业重要但技术落后的背景后，任娜果断选择了碳化硅电力电子器件研究方向，并进入盛教授创建的浙江大学电力电子器件实验室，成为国内较早开展碳化硅电力电子器件研发团队的一员。
　　事实也证明，任娜的选择很有前瞻性。在大力发展新能源的今天，电力电子器件技术的重要程度已经不言而喻。只是放眼十年前，她的选择还是很有勇气和魄力。
　　当然，她的勇气和魄力还远不止于此。博士期间，任娜曾多次参加国际学术会议，关注世界电力电子行业的发展格局。当时，美国和欧洲的技术最为先进。所以，临近博士毕业时，一个前往美国加州大学洛杉矶分校从事博士后研究的机会降临了，任娜毫不犹豫地抓住了。她说：“我要学习他们的先进技术，然后回国用新兴技术报效祖国。”
　　到了美国以后，任娜的学习一刻也不敢停歇。她发现，美国当时已经有很多企业想要进入电力电子器件行业，但是因为技术门槛高，所以需要寻求高校合作联合开发碳化硅电力电子器件产品技术。这给了任娜锻炼能力的机会。博士后期间，她先后主导了两项大型校企合作项目。“这些项目让我了解了如何把实验室的科研成果应用到企业产品中，实现产业化，也让我了解了科学研究与产业化之间的鸿沟如何弥补，为我回国后继续从事碳化硅电力电子器件技术的研究奠定了基础。”
　　从未知到成熟，任娜一直致力于碳化硅（SiC）电力电子器件的相关研究，其中包括SiC二极管和金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）器件的物理机制、结构设计、工艺技术、芯片研制、器件测试与失效分析、性能与可靠性优化等方向，并取得了一系列研究成果。例如，在器件领域国际知名期刊与会议上共发表40篇论文，其中SCI论文23篇，获得了3项美国专利，并获得2017届电力电子领域国际学术会议（APEC）杰出报告奖等。
　　一路走来，任娜一直踏踏实实地走好每一步。在其博士期间，导师盛教授作为我国电力电子器件领域唯一的“长江学者”和国家自然科学基金委杰出青年科学基金获得者，对任娜严格要求，悉心栽培。也因此，任娜继承了导师严谨的学术作风和清晰的逻辑思维。博士后期间，在电力电子器件学习的殿堂，任娜又继续精进了自己在技术方面的学习，深入国际间的交流与合作，并积累同行业的人脉资源。无论是国内还是国外，在日积月累中，任娜已在不知不觉间高高地站在了学术前沿。
　　
挑战难题 报效祖国
　　2019年9月，任娜回国，任教于浙江大学电气工程学院，并于2020年3月双聘至浙江大学杭州国际科创中心先进半导体研究院，研究工作主要包括SiC二极管和MOSFET器件的可靠性研究与器件优化设计、新型沟槽型SiC MOSFET器件技术、超高压SiC门极可关断晶闸管器件技术等。
　　在最近入选的浙大科创中心青年人才卓越计划中，任娜计划挑战两大领域难点：一是突破现有器件性能的碳化硅沟槽栅极MOSFET技术，二是研制超高压碳化硅门极可关断晶闸管器件。
　　在SiC电力电子器件行业，MOSFET器件是中低压应用领域最具市场潜力的开关管类型，但现有的平面栅极MOSFET技术路线面临比导通电阻较大、单位面积导通电流能力受限的问题。如何打破该性能极限，进一步大幅度提高功率器件的性能，是摆在碳化硅MOSFET器件领域面前的一个巨大挑战。
　　项目中，任娜将针对近年来国际上兴起的新型沟槽栅极MOSFET器件技术，探索沟槽栅极结构沟道迁移率的影响机制和先进的沟槽栅氧工艺技术，研究芯片内部电场分布调控机制和方法，开发碳化硅沟槽刻蚀、栅氧生长、沟槽填充和注入形成电场屏蔽结构等关键工艺，实现高性能和高可靠的碳化硅沟槽型MOSFET器件，大幅度提高碳化硅芯片的导通电流密度，突破现有器件性能的水平。
　　虽然挑战的难度很大，但多年的行业浸润和知识积累，让任娜充满斗志。她说：“科研多年，经常遇到仿真不收敛、工艺技术开发失败、器件性能不符合预期等困难，但是遇到问题是解决问题的起点，遇到问题不可怕，可怕的是没有坚持用正确的方法去不断努力攻克它，我相信，每努力一次就离成功更近一步。”
　　除了突破现有器件技术，任娜还将挑战超高压碳化硅门极可关断晶闸管的研制。她解释说，如今，电力电子器件已经发展到了第三代，即以新型宽禁带半导体材料SiC和GaN为代表的器件技术，但目前电力系统等高压大功率应用仍然使用传统硅基大功率器件或模块，这限制了系统效率的提升和小型化、轻量化目标的实现。而碳化硅门极可关断晶闸管在高压大功率系统中的应用，可以减少器件数量、降低功率损耗、提高系统效率、减少冷却设备、缩小系统体积，所以，研制超高压碳化硅门极可关断晶闸管器件对国家在能源领域的发展意义重大。
　　然而，超高压碳化硅门极可关断晶闸管的研制也面临很多技术挑战：碳化硅材料缺陷对器件内部载流子寿命的影响机制和遏制技术还未探明，碳化硅材料缺陷将导致双极型器件性能发生退化，影响器件的可靠性，碳化硅门极可关断晶闸管的物理理论和器件模型尚不成熟，碳化硅器件的制造工艺十分复杂，与传统硅器件的工艺相差较大，需要自主开发相关的工艺技术和工艺平台，碳化硅门极可关断晶闸管器件与系统应用的结合，需要设计特殊的门极驱动和电路拓扑结构。
　　但任娜心里清楚，未来，电力电子器件的发展必定会朝着更小、更轻、更快、更高效、更可靠的方向发展。因此，她将全力以赴，争取获得碳化硅电力电子器件领域的突破性研究成果。
　　除了青年人才卓越计划，近期内，任娜的国家自然科学基金青年基金、台达电力电子科教发展基金项目也将同步进行。虽然事务繁忙，但她说，“人要是对自己没要求，那就什么事都做不成”。
　　未来，任娜希望自己可以开发出具有国际一流水平的碳化硅电力电子器件技术，以自身之力，为国家在能源领域的重大战略发展做出应有贡献。“我希望，未来人类社会可以更多地从我们今天的大量科学研究成果中获益，这也是我们科研活动的最终目标。”对于科研的前行之路，任娜如是说。