摘要：近日，中国科学技术大学微电子学院杨树教授课题组在功率芯片结温监测研究方向取得新进展，实现了极端应力瞬态过程中GaN功率芯片的高时域分辨率结温监测，相关成果以“Ultrafast Junction Temperature Mapping During Surge

近日，中国科学技术大学微电子学院杨树教授课题组在功率芯片结温监测研究方向取得新进展，实现了极端应力瞬态过程中GaN功率芯片的高时域分辨率结温监测，相关成果以“Ultrafast Junction Temperature Mapping During Surge Current Transient and Thermal Management in Vertical GaN PiN Diode”为题在2025年功率半导体国际顶级会议IEEE International Symposium on PowerSemiconductor Devices and ICs (ISPSD)上做口头报告。

图1 (a) 极端应力（如浪涌电流/电压、短路等）瞬态中的高速结温监测。(b) 可用于极端应力瞬态中结温监测的共聚焦热反射表征平台。(c) 垂直型GaN PiN二极管在浪涌电流高达10000 A/cm2条件下的高时域分辨率动态结温监测。(d) GaN芯片中心与边缘的峰值温度随浪涌电流与脉宽变化的温度分布。

在电动汽车、智能电网、航空航天等应用领域中，功率器件作为电能转换的核心元件，需要承受因过冲、静电、电路故障导致的浪涌电流等瞬态极端应力。该类瞬态极端应力可使器件在短时内（10-5~10-2 s）产生大量热量，导致芯片结温急剧上升，甚至造成热失效。因此，在极端应力瞬态过程中的实时结温监测对于识别器件失效机制及热管理优化具有重要意义。然而，传统的芯片结温监测技术（如热电偶、红外成像等）延时通常较大，无法精准捕捉到极端应力瞬态过程中的芯片结温实时变化。

针对上述挑战，研究团队搭建了可用于极端应力瞬态中结温监测的共聚焦热反射表征平台，可实现浪涌激励电路与共聚焦热反射监测回路的同步触发。通过监测浪涌应力瞬态过程中芯片电极金属的热反射率，并基于热反射率变化与结温之间的线性依赖关系，实现了垂直型GaN器件在浪涌电流高达10000 A/ cm2极端应力瞬态过程中的实时结温监测，采样率高达105 Sa/s。其中，共聚焦技术通过针孔有效抑制背景噪声、准确收集焦平面光学信号，提高了结温监测信噪比。得益于高时域分辨率的结温监测技术，研究团队揭示了GaN器件在浪涌电流应力过程中的退化与失效机制。上述共聚焦热反射结温监测方法灵活性高、兼容性强，可适用于多类功率半导体器件的失效机制分析与热管理设计优化。

进一步地，基于GaN瞬态浪涌过程失效机制的研究，研究团队通过金刚石热沉进一步提升器件散热性能，将垂直型GaN PiN二极管的浪涌能量密度从323 J/cm2（无金刚石热沉）提升至390 J/cm2，在国际上报道的同类器件中较为领先。

中国科学技术大学微电子学院博士生杜佳宏为论文第一作者，杨树教授为论文通讯作者。此项研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助。

2025年6月1日至5日，第37届国际功率半导体器件和集成电路国际会议（IEEE International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs，ISPSD）于日本召开。IEEE ISPSD是功率半导体器件领域的顶级会议，该年度大会口头报告接受率~15%，是国际产业界和学术界报道功率半导体技术最新研究进展的平台。

参考文献

‘Ultrafast Junction Temperature Mapping During Surge Current Transient and Thermal Management in Vertical GaN PiN Diode’ by Jiahong Du, Shu Yang et al., 37th IEEE International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs (ISPSD), pp. 117-120, 2025.

来源：宽禁带联盟