近日，西安电子科技大学郝跃院士、张进成教授、赵胜雷教授团队在氮化镓（GaN）功率电子领域取得两项重要突破，相关成果发表于领域知名期刊《IEEE Transactions on Power Electronics》《IEEE Transactions on Electron Devices》以及2026 IEEE 38th International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs (ISPSD)国际电力电子顶级会议。两项研究从器件高温特性与模块封装散热两个方面协同发力，为GaN功率器件在极端高温、高功率密度场景下的工程应用奠定了坚实基础。

1.耐受500℃高温：新型“三明治”结构GaN MIS-HEMT器件

GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）凭借宽禁带、高电子迁移率等优势，在电动汽车、数据中心、深空探测等高温高功率场景中极具应用潜力。然而，当工作温度超过300℃时，传统GaN HEMT器件的饱和电流严重衰减、导通电阻急剧上升，成为制约其在极端环境下应用的瓶颈。根本原因在于：高温下沟道中的“热电子”容易从二维电子气（2DEG）高速通道中逃逸至缓冲层或势垒层，导致迁移率大幅下降。

团队提出了一种“三明治”结构的GaN MIS-HEMT器件，在传统AlGaN/GaN异质结的上下两侧分别引入原位生长SiN栅钝化层和AlN背势垒层，形成双面势垒电子限域结构。该设计在2DEG通道两侧建立起高势垒，有效将电子“锁定”在高速通道内，从源头抑制了高温下电子的逃逸。

在500℃高温下，大源漏间距（24μm）器件仍保持162.4 mA/mm的饱和电流，退化率仅为65%，处于国际报道的GaN功率HEMT领先水平。300℃和500℃下导通电阻分别为室温的3.5倍和5.5倍。 经过500℃高温工作恢复室温后，器件电学特性完全恢复至初始水平，无不可逆退化。TEM与EDX分析还证实，500℃高温后栅极金属未发生明显物理形变。该工作为GaN功率器件在 300℃–500℃极端高温环境（如深空探测、地热钻探、航空发动机等）下的可靠应用提供了重要研究基础。

该工作以Enhanced High-Temperature Performance of In-Situ SiN GaN MIS-HEMTs With an AlN Back Barrier Up to 500°C为题，发表于《IEEE Transactions on Electron Devices》期刊。宋秀峰副教授和孙雪晶博士研究生为论文共同一作，张进成教授与赵胜雷教授为共同通讯作者。

2. 三维堆叠式混合封装：融合相变均热板+金刚石，结温直降30℃

GaN HEMT的横向结构导致电流集中在2DEG薄层内，热流密度极高；同时其栅极安全裕度仅约1 V，对寄生电感极为敏感。传统键合线封装寄生电感大，PCB嵌入式封装散热差，双面陶瓷封装虽改善散热但散热器面积受限。如何在高集成度、低寄生电感、优异散热 三者之间取得平衡，是GaN功率模块封装的核心挑战。

团队提出了一种三维堆叠式混合封装架构，融合四大核心技术：

1）微型相变均热板：作为底部散热基础结构，内部通过液体蒸发与冷凝循环实现热量快速面内扩散，等效面内热导率极高。

2）金刚石散热材料：0.3 mm厚双面金属化金刚石，兼顾电绝缘与超高热导（1800 W/m·K）特性。

3）镀铜陶瓷基板：以AlN为介质，取代传统PCB，大幅提升顶部散热能力。

4）柔性印刷电路板：四层FPC集成栅极驱动器和解耦电容，实现驱动电路与功率回路的垂直堆叠。通过3D垂直空间重构，该设计在容纳驱动器和电容的同时，最大限度扩大了散热器面积，模块整体高度仅4.7 mm。

提出的封装结构在60W功率损耗下，相较双面陶瓷散热模块，器件结温降低超过30℃，功率回路寄生电感低至 0.75 nH；模块尺寸仅 23×31×4.7 mm，实现半桥功率级与栅极驱动的高度集成， 红外热成像显示，相变均热板在高温下展现出远超铜基板的温度均匀区域，有效提升外部散热器利用效率。该工作成功兼顾了电气性能、热管理能力与系统集成水平，实现了三者之间的协同优化与最佳平衡，为下一代高功率密度GaN功率模块提供了全新封装路径。

该工作前期部分成果入选2026年IEEE ISPSD国际顶级会议，完整论文形式以A Hybrid-Package 3-D GaN Power Module with Optimal Thermal Performance and High-Density Integration为题，发表于《IEEE Transactions on Power Electronics》期刊。该工作由西安电子科技大学与英国剑桥大学合作完成，危浩彬硕士研究生为第一作者，于龙洋副教授、赵胜雷教授与张进成教授为共同通讯作者，剑桥大学慕伟博士作为合作者参与了模块封装热管理工作。

从耐500℃高温的“三明治”器件，到融合相变均热板与金刚石的超低寄生电感模块，郝跃院士、张进成教授团队在GaN功率电子领域实现了从器件物理到系统封装的完整技术链条突破。随着5G-A/6G通信、电动汽车、数据中心和深空探测等领域对高温、高功率密度电力电子系统的需求持续攀升，这两项成果为GaN功率技术的工程化应用提供了关键的器件与封装技术储备。

A Hybrid-Package 3-D GaN Power Module with Optimal Thermal Performance and High-Density Integration

Enhanced High-Temperature Performance of In-Situ SiN GaN MIS-HEMTs With an AlN Back Barrier Up to 500℃

来源：西安电子科技大学投稿

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