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电气学院电力电子器件团队在垂直型氮化镓器件方向取得重要进展 [来源]:          [作者]:           [日期]:2018-10-25          [访问次数]:584    

我校电气工程学院电力电子器件实验室(PEDL)杨树研究员和盛况教授团队研制出千伏级新型垂直氮化镓(GaN)电力电子器件,功率品质因数达825 MW/cm2,在同类单极型GaN器件中居于领先水平,首次实现高压高速开关条件下“无电流坍塌”(current-collapse-free)的理想性能,克服了长期困扰传统平面型器件的动态性能退化难题。相关研究成果于2018年以来在本领域权威期刊IEEE Electron Device Letters、IEEE Transactions on Power Electronics上发表,被国际产业界杂志Compound Semiconductor和Semiconductor Today报道;由于在该方向的研究工作,PEDL团队杨树研究员获得ISPSD Charitat Young Researcher Award,是该奖项创立30年来首次颁发给中国大陆学者。

图释PEDL在垂直型氮化镓器件方面的研究成果被国际产业界杂志报道

 

  GaN电力电子器件能够实现高能效、高频率、高功率密度的电能转换系统,在消费类电子、数据中心、新能源汽车、分布式发电等领域具有广阔的应用前景。目前主流的GaN电力电子器件是在硅(Si)衬底上通过异质外延实现的平面型GaN-on-Si器件。近年来出现的高质量单晶GaN衬底为实现基于同质外延的垂直型GaN-on-GaN器件提供了契机。垂直型器件能够显著提高器件耐压等级和功率等级,缩减芯片面积,提升频率和效率。然而,当前垂直型GaN器件的研究仍面临缺乏有效终端保护方法、开关与动态性能未被验证等问题。

为克服垂直器件结边沿电场聚集造成的漏电陡增和提前击穿问题,PEDL团队提出并开发了针对GaN器件的氮化终端保护方法和工艺技术,并通过物理和电学表征方法揭示了该终端保护的物理机制,实现了1 kV/1.2 mΩ·cm2垂直型GaN肖特基二极管,功率品质因数达825 MW/cm2,在同类单极型GaN器件中居于国际第二。该终端结构可将击穿电压从0.3kV有效提升至1kV;器件同时具有高于kA/cm2的正向电流密度,接近理想的肖特基界面。该工作发表在IEEE Electron Device Letters期刊上,被国际产业界杂志Compound Semiconductor报道和评价为“揭示垂直GaN电力电子器件终端技术的物理机制”。

传统平面型GaN-on-Si器件长期面临高压开关过程中的动态电阻退化(或电流崩塌)问题。该退化机制源于器件表面陷阱、异质外延层体陷阱使表面沟道载流子部分耗尽,造成动态导通电阻和损耗增加。相比之下,垂直型GaN-on-GaN器件电流路径不易受表面电荷影响,高品质同质外延层可有效降低体陷阱,因此可从源头上克服动态电阻退化问题。PEDL团队采用200 ns的快速测试方法在电路层级定量表征了所研制的垂直型GaN-on-GaN器件动态性能,并与商业平面型GaN-on-Si器件进行比较。在阻断电压应力高至500 V,阻断时间10-6~102s,高温至150 °C的动态开关状态下,团队研制的垂直型GaN器件均不存在动态性能退化问题,优于平面型GaN器件。该工作发表在IEEE Transactions on Power Electronics期刊上,被Compound Semiconductor和Semiconductor Today报道和评价为“首个通过实验验证的无电流坍塌的垂直型GaN器件”。

 图释动态开关状态下平面型GaN-on-Si和垂直型GaN-on-GaN器件在200 ns内的动态性能:(a)阻断电压应力高至500 V,(b)阻断时间应力10-6~102 s,(c)高温至150 °C。

 

这一系列研究工作获得国家重点研发计划、国家自然科学基金、浙江大学百人计划等项目的支持,器件研制和评测依托浙江大学电气工程学院电力电子器件实验室。该实验室成立于2009年,团队负责人为长江特聘教授、国家杰出基金获得者、首批万人计划科技创新领军人才盛况教授,团队长期致力于宽禁带电力电子器件设计、工艺、测试及应用的研究。

 

 

 

网页链接:

https://ieeexplore.ieee.org/document/8493547

https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/8300629

 

 

 

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