中国科学技术大学在GaN功率电子器件浪涌特性研究方向取得新进展

近日，我院杨树教授课题组在GaN功率电子器件浪涌特性研究中取得进展，自主研制出2 kV/0.45 mΩ·cm²双极型垂直GaN二极管，具有电导调制与优异的浪涌电流性能，相关成果以“Time-/Current-Dependent Surge Current Capability of Fully-Vertical GaN-on-GaN PiN Diode With Conductivity Modulation”为题发表于电力电子领域期刊IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics。

垂直型GaN功率电子器件能够拓展传统GaN器件的电压和功率等级，并具有优异的散热和动态性能。在智能工业电子、航空航天等复杂电气环境中，功率二极管作为能量转换的核心元件之一，通常需要能够承受因过冲、静电、电路故障等原因而产生的瞬态高浪涌电流冲击应力。依据行业标准（IEC/JEDEC），短/长脉宽浪涌能力评估是识别器件在过流应力冲击下安全工作区的重要环节。一般而言，对于Si和SiC双极型器件，电导调制是提升其浪涌能力的关键因素。然而不同于Si或SiC器件，GaN为直接带隙半导体，电子和空穴可通过辐射复合发出光子，本征少子寿命较短。当前，直接带隙GaN功率器件的电导调制及其对浪涌性能的影响机制仍缺乏系统的实验验证。

针对上述挑战，课题组研制出导通电阻0.45 mΩ·cm²、反向耐压2 kV的双极型垂直GaN二极管，并系统研究了其在不同浪涌脉宽（5 μs~10 ms）与峰值电流下的动态演化机制。自研垂直型GaN二极管具有逆时针浪涌电流轨迹，是浪涌瞬态中双极型器件电导调制的关键证据。研究发现垂直型GaN二极管具有光子增强/热增强电导调制能力，并在浪涌瞬态中展现出优异的导通能力与热电特性。得益于GaN独特的光电耦合和电导调制，垂直型GaN二极管在短脉宽下可耐受17.8 kA/cm²浪涌电流，浪涌能量密度可达282 J/cm²（10 ms），在国际上报道的同类器件中处于领先水平。该研究表明垂直型GaN功率电子器件具有优异的导通性能与浪涌能力，在高功率电力电子领域中具有广阔的应用前景。

图1. (a) 2 kV/0.45 mΩ·cm²双极型垂直GaN二极管正向导通与反向阻断能力; (b) 浪涌电流I-V特性; (c) GaN二极管浪涌电流能力对比。

我院博士生杜佳宏为论文第一作者，杨树教授为论文通讯作者。此项研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、台达电力电子科教发展计划等项目的资助，也得到了中国科大微纳研究与制造中心的支持。

文章链接：10.1109/JESTPE.2024.3446574