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西安电子科技大学郝跃院士团队实现最高性能的氮化镓微波二极管

   中国教育在线    2019-09-24    

  9月,西安电子科技大学微电子学院郝跃院士团队在国际权威顶级期刊IEEE Transactions on Industrial Electronics(电气和电子工程师协会工业电子会刊)和IEEE Transactions on Power Electronics上相继报道了团队研制的国际最高性能氮化镓微波二极管、2.45GHz微波整流模块、5.8GHz微波整流模块及其高效率微波无线传能演示系统。

  大功率微波二极管是微波系统的核心器件。硅、砷化镓等传统半导体微波二极管最大功率只有几百毫瓦,严重制约了兆瓦级无线传能系统、百瓦千瓦级的微波限幅器的发展,因此高功率微波二极管成为亟待解决的核心器件。根据半导体材料的物理性质,宽禁带半导体氮化镓(GaN)异质结构是当前研制大功率微波二极管最为理想的材料,其功率频率特征参数(fcVB)分别是硅、砷化镓、碳化硅的500倍、50倍和4倍。因此氮化镓高功率微波二极管成为当前该领域的国际研究热点。

  然而,氮化镓高功率微波二极管研制难度非常大,一方面因为氮化镓禁带宽度大难以同时获得低开启电压、低泄漏电流、高击穿电压等器件关键特性,另一方面由于当前氮化镓材料具有较高的位错缺陷密度,导致器件可靠性极差。郝跃院士团队经过多年攻关,创新地提出了一种低功函数金属的凹槽阳极肖特基器件结构,一是通过凹槽结构使得肖特基接触面与位错缺陷方向平行,避免了位错缺陷对二极管性能和可靠性的影响;二是凹槽侧面是氮化镓的非极性面,采用该非极性面形成肖特基接触,可以使二极管开启电压降低一半,同时结合低功函数金属电极的采用,使得二极管开启电压从传统结构的1.2V降低至0.4V。此外,采用低k阳极介质极大减少了阳极寄生电容,实现了二极管的高频率工作。

  与传统半导体Si和GaAs二极管相比,该器件实现了低的开启电压(<0.4 V)、低的串联电阻(< 5 Ω)、低的寄生电容(<0.5 pF),器件截止频率达到了124 GHz。最为突破性的是,该二极管获得了超过150 V的反向击穿电压,单管整流功率接近10瓦,比Si和GaAs同类器件高一个数量级以上。采用该GaN微波二极管,团队成功实现了2.45 GHz和5.8 GHz的微波整流电路与无线传能系统。在2.45 GHz工作频率、输入功率为0.75 W和7.2 W时,整流电路分别取得了79%与50%的整流效率。(相关结果发表于:Kui Dang, Jincheng Zhang*, Hong Zhou*, et al., IEEE Transaction on Industrial Electronics, 2019, DOI:10.1109/TIE.2019.2939968,SCI一区论文)

  同时,该团队进一步提出了一种LPCVD钝化方法,解决了在更高频段5.8 GHz时的电流崩塌效应,并在输入功率为2 W和6 W时,取得了5.8GHz频率下71%以及50%的整流效率。与传统Si以及GaAs二极管相比较,在相同工作频率及整流效率下,GaN二极管的单管整流功率提升10-50倍,能满足未来对高频率、高效率、高功率整流技术的需求。基于该整流模块,设计并搭建了2.45 GHz和5.8 GHz的微波无线传能系统,成功实现了在2 m距离下的高效率微波无线能量传输。(相关结果发表于:Kui Dang, Jincheng Zhang*, Hong Zhou*, et al., IEEE Transactions on Power Electronics, 2019, 10.1109/TPEL.2019.2938769,SCI一区论文)。

  据悉,IEEE Transactions on Industrial Electronics是电子与电气领域国际顶级期刊,IEEE Transactions on Power Electronics是电子与电气领域国际优秀级期刊,主要报道信息、控制、电气及工业电子等领域最新的研究进展,均属于SCI一区TOP期刊。

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