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南京大学周峰:面向空间电源应用的高性能氮化镓功率器件研究进展

 氮化镓(GaN)功率器件凭借其高频、高效、耐高温等特性,成为空间电源系统升级的关键技术方向。基于AlGaN/GaN异质结界面2DEG工作的功率p-GaN HEMT已广泛商用。航天抗辐照宽禁带功率器件的应用前景广阔,GaN功率器件在航空航天领域的优势,现阶段宇航电源应用需求:功率不太大(几千瓦到十几千瓦)、电压不太高(几百伏)、能效要求高、体重要求苛刻,GaN功率器件具有高频、高效、易集成系列性能优势,较容易满足以上要求,宽禁带GaN材料具有抗辐照材料优势。GaN横向功率器件结构有利于提升抗辐照特性,GaN器件天然具有抗总剂量能力,抗单粒子效应具有内在优势。

近日,年度国际第三代半导体行业盛会——第十一届国际第三代半导体论坛&第二十二届中国国际半导体照明论坛(IFWS&SSLCHINA 2025)在厦门隆重召开,本届论坛由第三代半导体产业技术创新战略联盟(CASA)、中关村半导体照明工程研发及产业联盟(CSA)、厦门大学(XMU)共同主办,以“链通全球·芯动未来”为主题,汇聚全球顶级精英,技术与产业并举,全面覆盖半导体照明和第三代半导体及相关领域的前沿热点、技术应用与产业趋势。 

周峰

期间,在“氮化镓功率电子器件技术”分论坛上,南京大学副研究员周峰做了“面向空间电源应用的高性能氮化镓功率器件研究”的主题报告,分享了最新研究成果。当前,南京大学已开展面向航天应用的GaN功率器件设计与流片。逐渐建立GaN功率器件设计与流片能力,开展多轮4/6英寸流片工作,研制抗辐照GaN功率器件。团队在国家大科学装置开展了大量的辐照实验。团队自研的GaN功率器件在哈工大、中国工程物理研究院、散裂中子源等单位中开展了大量的实验研究,在单粒子、总剂量等辐照效应方面积累了丰富的实验数据,并与国内辐照单位在宽禁带研究方面建立联系。抗辐照加固设计宽禁带GaN功率器件,研制的国际首支650V等级抗辐照GaN功率器件以及单粒子效应成果在顶级会议IEDM和ISPSD上受到关注。

报告指出,重离子加速器辐照实验装置及测试,亟需发展能够与重离子实验互补,可以定位辐照损伤、开展动/静态结合和统计性数据分析。GaN HEMT主要受到单粒子辐照效应影响,是业内公认宇航用GaN器件需要突破的难题。脉冲激光辐照可以用于模拟单粒子辐照电荷过程,成为辐照研究重要的研究手段。硅基器件/电路辐照研究中广泛应用脉冲激光辐照技术,中国、美国、法国、俄罗斯等国内外多个团队开展硅基脉冲激光辐照实验研究,如逻辑电路、功率电路等。适用于宽禁带半导体的紫外脉冲激光辐照实验技术,脉冲激光辐照试验方法已被列入国家标准,重点需要解决吸收机理、等效性研究、脉冲激光特性等方面难题。

研究通过在国家多个大科学装置中相继开展重离子、质子、伽马射线等辐照实验,结合自主搭建的大气环境下紫外脉冲激光诱导单粒子效应实验平台,研究了p-GaN HEMT、MIS-HEMT、Diodes等多种类型器件的辐照特性,首次实现了>500V抗辐照加固GaN HEMT器件,评估了p-GaN HEMT在辐照、功率开关工况下的能量转换效率,并基于在6英寸工艺平台上积累的工程化流片经验,开展了抗辐照材料与器件的加固设计、实验验证以及未来思路探索。这些研究期望能够推进GaN基功率电子器件在航天电子装备中的实用化发展。 

报告同时指出,GaN功率器件测试设备具有高频率(千赫兹提高到兆赫兹)、高精度(信号响应精确到纳秒)、低寄生(电路寄生电感低至纳亨)等需求,GaN功率器件测试设备在业界尚不成熟,多种测试设备仍需发展。

(根据现场资料整理,仅供参考)

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