【CASICON 2021】美国弗吉尼亚理工大学张宇昊：超过SiC限制的 1.2-10 kV GaN功率器件

近些年来，氮化镓成为了主流的功率半导体之一。氮化镓高电子迁移率晶体管已经实现了15 V到650 V电压等级的商用化。然而，对于650V到10 kV的中高压电力电子应用（电动汽车动力系统，电网，新能源，高铁等），人们常常认为碳化硅相比于氮化镓更有优势。

 

9月13-14日，“2021中国（南京）功率与射频半导体技术市场应用峰会（CASICON 2021）”在南京召开。本届峰会由半导体产业网、第三代半导体产业主办，并得到了南京大学、第三代半导体产业技术创新战略联盟的指导。

峰会上，美国弗吉尼亚理工大学电力电子系统中心助理研究员张宇昊分享了关于1.2-10 kV GaN 功率器件的最新研究成果，指出近期关于高压氮化镓功率器件的研究结果推翻了“碳化硅相比于氮化镓更有优势”这一观点。其团队研究设计并制造的1.2 kV到10 kV的氮化镓功率器件的品质因素（figure of merit）超过了碳化硅单极器件的理论极限，并远高于相同等级碳化硅商用器件的品质因素。这些氮化镓器件基于垂直或水平架构，其关键结构包括多沟道外延、鳍状沟道、三维p-n结等。其中的一些器件实现了现有商用氮化镓功率器件所不具有的雪崩和浪涌能力。这些结果推动了高压器件的发展并极大拓展了氮化镓功率器件的应用场景。

 

 

张宇昊现在是美国弗吉尼亚理工大学电力电子研究中心(Center for Power Electronics Systems, CPES)助理教授，并领导该中心的器件和功率半导体研究。该中心由Fred Lee创立，现得到超过80家公司的资助，拥有电力电子领域基于高校的最大的产业联盟之一。

 

张宇昊研究兴趣包括功率器件、宽禁带和超宽禁带半导体材料、器件封装、以及电力电子应用。张宇昊已发表文章90余篇，涵盖多个领域（IEDM, EDL, APL, T-PEL, JESTPE, APEC, IRPS, Nature等），并有4个已经授权的美国专利。并获得2017年麻省理工学院Microsystems Technology Laboratories最佳博士论文奖、2019年IEEE George Smith Award (IEEE EDL年度最佳论文奖)、2020年IEDM Conference Highlight荣誉、2021年美国National Science Foundation CAREER奖、2021年弗吉尼亚理工优秀助理教授奖。其博士生获得2021 APEC最佳报告奖、2021 IEEE Power Electronics Society最佳博士论文奖等奖项。

参考文献：

[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.