近日，中國科學技術大學微電子學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，具有電導調制與優異的浪涌電流性能，相關成果以“Time-/Current-Dependent Surge Current Capability of Fully-Vertical GaN-on-GaN PiN Diode With Conductivity Modulation”為題發表于電力電子領域期刊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GaN器件的電壓和功率等級，并具有優異的散熱和動態性能。在智能工業電子、航空航天等復雜電氣環境中，功率二極管作為能量轉換的核心元件之一，通常需要能夠承受因過沖、靜電、電路故障等原因而產生的瞬態高浪涌電流沖擊應力。依據行業標準（IEC/JEDEC），短/長脈寬浪涌能力評估是識別器件在過流應力沖擊下安全工作區的重要環節。一般而言，對于Si和SiC雙極型器件，電導調制是提升其浪涌能力的關鍵因素。然而不同于Si或SiC器件，GaN為直接帶隙半導體，電子和空穴可通過輻射復合發出光子，本征少子壽命較短。當前，直接帶隙GaN功率器件的電導調制及其對浪涌性能的影響機制仍缺乏系統的實驗驗證。

針對上述挑戰，課題組研制出導通電阻0.45 mΩ·cm²、反向耐壓2 kV的雙極型垂直GaN二極管，并系統研究了其在不同浪涌脈寬（5 μs~10 ms）與峰值電流下的動態演化機制。自研垂直型GaN二極管具有逆時針浪涌電流軌跡，是浪涌瞬態中雙極型器件電導調制的關鍵證據。研究發現垂直型GaN二極管具有光子增強/熱增強電導調制能力，并在浪涌瞬態中展現出優異的導通能力與熱電特性。得益于GaN獨特的光電耦合和電導調制，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282 J/cm（10 ms），在國際上報道的同類器件中處于領先水平。該研究表明垂直型GaN功率電子器件具有優異的導通性能與浪涌能力，在高功率電力電子領域中具有廣闊的應用前景。

圖1. (a) 2 kV/0.45 mΩ·cm²雙極型垂直GaN二極管正向導通與反向阻斷能力;(b)浪涌電流I-V特性;(c) GaN二極管浪涌電流能力對比。

中國科學技術大學微電子學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。此項研究工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、臺達電力電子科教發展計劃等項目的資助，也得到了中國科大微納研究與制造中心的支持。

文章鏈接：10.1109/JESTPE.2024.3446574

信息來源：中國科學技術大學微電子學院