近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)微電子學(xué)院楊樹教授課題組在GaN功率電子器件浪涌特性研究中取得進(jìn)展，自主研制出2 kV/0.45 mΩ·cm²雙極型垂直GaN二極管，具有電導(dǎo)調(diào)制與優(yōu)異的浪涌電流性能，相關(guān)成果以“Time-/Current-Dependent Surge Current Capability of Fully-Vertical GaN-on-GaN PiN Diode With Conductivity Modulation”為題發(fā)表于電力電子領(lǐng)域期刊IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics。

垂直型GaN功率電子器件能夠拓展傳統(tǒng)GaN器件的電壓和功率等級(jí)，并具有優(yōu)異的散熱和動(dòng)態(tài)性能。在智能工業(yè)電子、航空航天等復(fù)雜電氣環(huán)境中，功率二極管作為能量轉(zhuǎn)換的核心元件之一，通常需要能夠承受因過(guò)沖、靜電、電路故障等原因而產(chǎn)生的瞬態(tài)高浪涌電流沖擊應(yīng)力。依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（IEC/JEDEC），短/長(zhǎng)脈寬浪涌能力評(píng)估是識(shí)別器件在過(guò)流應(yīng)力沖擊下安全工作區(qū)的重要環(huán)節(jié)。一般而言，對(duì)于Si和SiC雙極型器件，電導(dǎo)調(diào)制是提升其浪涌能力的關(guān)鍵因素。然而不同于Si或SiC器件，GaN為直接帶隙半導(dǎo)體，電子和空穴可通過(guò)輻射復(fù)合發(fā)出光子，本征少子壽命較短。當(dāng)前，直接帶隙GaN功率器件的電導(dǎo)調(diào)制及其對(duì)浪涌性能的影響機(jī)制仍缺乏系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

針對(duì)上述挑戰(zhàn)，課題組研制出導(dǎo)通電阻0.45 mΩ·cm²、反向耐壓2 kV的雙極型垂直GaN二極管，并系統(tǒng)研究了其在不同浪涌脈寬（5 μs~10 ms）與峰值電流下的動(dòng)態(tài)演化機(jī)制。自研垂直型GaN二極管具有逆時(shí)針浪涌電流軌跡，是浪涌瞬態(tài)中雙極型器件電導(dǎo)調(diào)制的關(guān)鍵證據(jù)。研究發(fā)現(xiàn)垂直型GaN二極管具有光子增強(qiáng)/熱增強(qiáng)電導(dǎo)調(diào)制能力，并在浪涌瞬態(tài)中展現(xiàn)出優(yōu)異的導(dǎo)通能力與熱電特性。得益于GaN獨(dú)特的光電耦合和電導(dǎo)調(diào)制，垂直型GaN二極管在短脈寬下可耐受17.8 kA/cm²浪涌電流，浪涌能量密度可達(dá)282 J/cm（10 ms），在國(guó)際上報(bào)道的同類器件中處于領(lǐng)先水平。該研究表明垂直型GaN功率電子器件具有優(yōu)異的導(dǎo)通性能與浪涌能力，在高功率電力電子領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖1. (a) 2 kV/0.45 mΩ·cm²雙極型垂直GaN二極管正向?qū)ㄅc反向阻斷能力;(b)浪涌電流I-V特性;(c) GaN二極管浪涌電流能力對(duì)比。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)微電子學(xué)院博士生杜佳宏為論文第一作者，楊樹教授為論文通訊作者。此項(xiàng)研究工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、臺(tái)達(dá)電力電子科教發(fā)展計(jì)劃等項(xiàng)目的資助，也得到了中國(guó)科大微納研究與制造中心的支持。

文章鏈接：10.1109/JESTPE.2024.3446574

信息來(lái)源：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)微電子學(xué)院