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西電郝躍院士團隊實現最高性能氮化鎵微波二極管

2019-09-30 來源:西安電子科技大學 我要評論(0) 字號:

9月,西安電子科技大學微電子學院郝躍院士團隊在國際權威頂級期刊IEEE Transactions on Industrial Electronics(電氣和電子工程師協會工業電子會刊)和IEEE Transactions on Power Electronics上相繼報道了團隊研制的國際最高性能氮化鎵微波二極管、2.45GHz微波整流模塊、5.8GHz微波整流模塊及其高效率微波無線傳能演示系統。

大功率微波二極管是微波系統的核心器件。硅、砷化鎵等傳統半導體微波二極管最大功率只有幾百毫瓦,嚴重制約了兆瓦級無線傳能系統、百瓦千瓦級的微波限幅器的發展,因此高功率微波二極管成為亟待解決的核心器件。根據半導體材料的物理性質,寬禁帶半導體氮化鎵(GaN)異質結構是當前研制大功率微波二極管最為理想的材料,其功率頻率特征參數(fcVB)分別是硅、砷化鎵、碳化硅的500倍、50倍和4倍。因此氮化鎵高功率微波二極管成為當前該領域的國際研究熱點。

然而,氮化鎵高功率微波二極管研制難度非常大,一方面因為氮化鎵禁帶寬度大難以同時獲得低開啟電壓、低泄漏電流、高擊穿電壓等器件關鍵特性,另一方面由于當前氮化鎵材料具有較高的位錯缺陷密度,導致器件可靠性極差。

郝躍院士團隊經過多年攻關,創新地提出了一種低功函數金屬的凹槽陽極肖特基器件結構,一是通過凹槽結構使得肖特基接觸面與位錯缺陷方向平行,避免了位錯缺陷對二極管性能和可靠性的影響;二是凹槽側面是氮化鎵的非極性面,采用該非極性面形成肖特基接觸,可以使二極管開啟電壓降低一半,同時結合低功函數金屬電極的采用,使得二極管開啟電壓從傳統結構的1。2V降低至0。4V。此外,采用低k陽極介質極大減少了陽極寄生電容,實現了二極管的高頻率工作。

與傳統半導體Si和GaAs二極管相比,該器件實現了低的開啟電壓(<0.4 V)、低的串聯電阻(< 5 Ω)、低的寄生電容(<0.5 pF),器件截止頻率達到了124 GHz。最為突破性的是,該二極管獲得了超過150 V的反向擊穿電壓,單管整流功率接近10瓦,比Si和GaAs同類器件高一個數量級以上。采用該GaN微波二極管,團隊成功實現了2.45 GHz和5.8 GHz的微波整流電路與無線傳能系統。在2.45 GHz工作頻率、輸入功率為0.75 W和7.2 W時,整流電路分別取得了79%與50%的整流效率。(相關結果發表于:Kui Dang, Jincheng Zhang*, Hong Zhou*, et al., IEEE Transaction on Industrial Electronics, 2019, DOI:10.1109/TIE.2019.2939968,SCI一區論文)

同時,該團隊進一步提出了一種LPCVD鈍化方法,解決了在更高頻段5.8 GHz時的電流崩塌效應,并在輸入功率為2 W和6 W時,取得了5.8GHz頻率下71%以及50%的整流效率。與傳統Si以及GaAs二極管相比較,在相同工作頻率及整流效率下,GaN二極管的單管整流功率提升10-50倍,能滿足未來對高頻率、高效率、高功率整流技術的需求。基于該整流模塊,設計并搭建了2.45 GHz和5.8 GHz的微波無線傳能系統,成功實現了在2 m距離下的高效率微波無線能量傳輸。(相關結果發表于:Kui Dang, Jincheng Zhang*, Hong Zhou*, et al., IEEE Transactions on Power Electronics, 2019, 10.1109/TPEL.2019.2938769,SCI一區論文)。

據悉,IEEE Transactions on Industrial Electronics是電子與電氣領域國際頂級期刊,IEEE Transactions on Power Electronics是電子與電氣領域國際優秀級期刊,主要報道信息、控制、電氣及工業電子等領域最新的研究進展,均屬于SCI一區TOP期刊。

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