近些年來，氮化鎵成為了主流的功率半導(dǎo)體之一。氮化鎵高電子遷移率晶體管已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了15 V到650 V電壓等級的商用化。然而，對于650V到10 kV的中高壓電力電子應(yīng)用（電動汽車動力系統(tǒng)，電網(wǎng)，新能源，高鐵等），人們常常認(rèn)為碳化硅相比于氮化鎵更有優(yōu)勢。

 

9月13-14日，“2021中國（南京）功率與射頻半導(dǎo)體技術(shù)市場應(yīng)用峰會（CASICON 2021）”在南京召開。本屆峰會由半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)網(wǎng)、第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)主辦，并得到了南京大學(xué)、第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟的指導(dǎo)。

峰會上，美國弗吉尼亞理工大學(xué)電力電子系統(tǒng)中心助理研究員張宇昊分享了關(guān)于1.2-10 kV GaN 功率器件的最新研究成果，指出近期關(guān)于高壓氮化鎵功率器件的研究結(jié)果推翻了“碳化硅相比于氮化鎵更有優(yōu)勢”這一觀點(diǎn)。其團(tuán)隊(duì)研究設(shè)計(jì)并制造的1.2 kV到10 kV的氮化鎵功率器件的品質(zhì)因素（figure of merit）超過了碳化硅單極器件的理論極限，并遠(yuǎn)高于相同等級碳化硅商用器件的品質(zhì)因素。這些氮化鎵器件基于垂直或水平架構(gòu)，其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)包括多溝道外延、鰭狀溝道、三維p-n結(jié)等。其中的一些器件實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)有商用氮化鎵功率器件所不具有的雪崩和浪涌能力。這些結(jié)果推動了高壓器件的發(fā)展并極大拓展了氮化鎵功率器件的應(yīng)用場景。

 

 

張宇昊現(xiàn)在是美國弗吉尼亞理工大學(xué)電力電子研究中心(Center for Power Electronics Systems, CPES)助理教授，并領(lǐng)導(dǎo)該中心的器件和功率半導(dǎo)體研究。該中心由Fred Lee創(chuàng)立，現(xiàn)得到超過80家公司的資助，擁有電力電子領(lǐng)域基于高校的最大的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟之一。

 

張宇昊研究興趣包括功率器件、寬禁帶和超寬禁帶半導(dǎo)體材料、器件封裝、以及電力電子應(yīng)用。張宇昊已發(fā)表文章90余篇，涵蓋多個領(lǐng)域（IEDM, EDL, APL, T-PEL, JESTPE, APEC, IRPS, Nature等），并有4個已經(jīng)授權(quán)的美國專利。并獲得2017年麻省理工學(xué)院Microsystems Technology Laboratories最佳博士論文獎、2019年IEEE George Smith Award (IEEE EDL年度最佳論文獎)、2020年IEDM Conference Highlight榮譽(yù)、2021年美國National Science Foundation CAREER獎、2021年弗吉尼亞理工優(yōu)秀助理教授獎。其博士生獲得2021 APEC最佳報(bào)告獎、2021 IEEE Power Electronics Society最佳博士論文獎等獎項(xiàng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]    M. Xiao, Y. Ma, K. Liu, K. Cheng, and Y. Zhang, “10 kV, 39 mΩ·cm2 Multi-Channel AlGaN/GaN Schottky Barrier Diodes,” IEEE Electron Device Lett., vol. 42, no. 6, pp. 808–811, Jun. 2021, doi: 10.1109/LED.2021.3076802.

[2]    M. Xiao et al., “5 kV Multi-Channel AlGaN/GaN Power Schottky Barrier Diodes with Junction-Fin-Anode,” in 2020 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM), Dec. 2020, p. 5.4.1-5.4.4. doi: 10.1109/IEDM13553.2020.9372025.

[3]    J. Liu et al., “1.2 kV Vertical GaN Fin JFETs with Robust Avalanche and Fast Switching Capabilities,” in 2020 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM), Dec. 2020, p. 23.2.1-23.2.4. doi: 10.1109/IEDM13553.2020.9372048.

[4]    J. Liu et al., “1.2-kV Vertical GaN Fin-JFETs: High-Temperature Characteristics and Avalanche Capability,” IEEE Trans. Electron Devices, vol. 68, no. 4, pp. 2025–2032, Apr. 2021, doi: 10.1109/TED.2021.3059192.

[5]    Y. Zhang et al., “Large-Area 1.2-kV GaN Vertical Power FinFETs With a Record Switching Figure of Merit,” IEEE Electron Device Lett., vol. 40, no. 1, pp. 75–78, Jan. 2019, doi: 10.1109/LED.2018.2880306.