近些年來，氮化鎵成為了主流的功率半導體之一。氮化鎵高電子遷移率晶體管已經實現了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用（電動汽車動力系統，電網，新能源，高鐵等），人們常常認為碳化硅相比于氮化鎵更有優勢。

 

9月13-14日，“2021中國（南京）功率與射頻半導體技術市場應用峰會（CASICON 2021）”在南京召開。本屆峰會由半導體產業網、第三代半導體產業主辦，并得到了南京大學、第三代半導體產業技術創新戰略聯盟的指導。

峰會上，美國弗吉尼亞理工大學電力電子系統中心助理研究員張宇昊分享了關于1.2-10 kV GaN 功率器件的最新研究成果，指出近期關于高壓氮化鎵功率器件的研究結果推翻了“碳化硅相比于氮化鎵更有優勢”這一觀點。其團隊研究設計并制造的1.2 kV到10 kV的氮化鎵功率器件的品質因素（figure of merit）超過了碳化硅單極器件的理論極限，并遠高于相同等級碳化硅商用器件的品質因素。這些氮化鎵器件基于垂直或水平架構，其關鍵結構包括多溝道外延、鰭狀溝道、三維p-n結等。其中的一些器件實現了現有商用氮化鎵功率器件所不具有的雪崩和浪涌能力。這些結果推動了高壓器件的發展并極大拓展了氮化鎵功率器件的應用場景。

 

 

張宇昊現在是美國弗吉尼亞理工大學電力電子研究中心(Center for Power Electronics Systems, CPES)助理教授，并領導該中心的器件和功率半導體研究。該中心由Fred Lee創立，現得到超過80家公司的資助，擁有電力電子領域基于高校的最大的產業聯盟之一。

 

張宇昊研究興趣包括功率器件、寬禁帶和超寬禁帶半導體材料、器件封裝、以及電力電子應用。張宇昊已發表文章90余篇，涵蓋多個領域（IEDM, EDL, APL, T-PEL, JESTPE, APEC, IRPS, Nature等），并有4個已經授權的美國專利。并獲得2017年麻省理工學院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、2021年美國National Science Foundation CAREER獎、2021年弗吉尼亞理工優秀助理教授獎。其博士生獲得2021 APEC最佳報告獎、2021 IEEE Power Electronics Society最佳博士論文獎等獎項。

參考文獻：

[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.