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上相繼報導了團隊研製的國際最高性能氮化鎵微波二極體、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。
大功率微波二極體是微波系統的核心器件。矽、砷化鎵等傳統半導體微波二極體最大功率只有幾百毫瓦，嚴重製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體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）異質結構是當前研製大功率微波二極體最為理想的材料，其功率頻率特徵參數（fcVB）分別是矽、砷化鎵、碳化矽的500倍、50倍和4倍。因此氮化鎵高功率微波二極體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體研製難度非常大，一方面因為氮化鎵禁帶寬度大難以同時獲得低開啟電壓、低洩漏電流、高擊穿電壓等器件關鍵特性，另一方面由於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體性能和可靠性的影響；二是凹槽側面是氮化鎵的非極性面，採用該非極性面形成肖特基接觸，可以使二極體開啟電壓降低一半，同時結合低功函數金屬電極的採用，使得二極體開啟電壓從傳統結構的1.2V降低至0.4V。此外，採用低k陽極介質極大減少了陽極寄生電容，實現了二極體的高頻率工作。
與傳統半導體Si和GaAs二極體相比，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，該二極體獲得了超過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。採用該GaN微波二極體，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。(相關結果發表於：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，並在輸入功率為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二極體相比較，在相同工作頻率及整流效率下，GaN二極體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。基於該整流模塊，設計並搭建了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。（相關結果發表於：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，主要報導信息、控制、電氣及工業電子等領域最新的研究進展，均屬於SCI一區TOP期刊。
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來源：微電子學院
通訊員：周弘、程珺
編輯：陳 芸
責任編輯：田敬權