任娜 - 浙江大学 - 电气工程学院

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浙江大学电气工程学院
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个人简介

任娜，浙江大学电气工程学院特聘副研究员，博士生导师。 2010~2015年期间博士就读于浙江大学电气工程学院，2016~2019年期间在美国加州大学洛杉矶分校做博士后。十年期间一直致力于碳化硅（SiC）电力电子器件的相关研究，其中包括SiC二极管和MOSFET器件的物理机制、结构设计、工艺技术、芯片研制、器件测试与失效分析、性能与可靠性优化等方向，并取得了一系列研究成果。在器件领域国际知名期刊与会议上共发表40篇论文，其中SCI论文23篇，获得了3项美国专利，正在申请10多项美国专利和10多项中国专利，并获得2017届电力电子领域最权威的国际学术会议（APEC）的杰出报告奖，担任2018年ECCE国际学术会议的分会场主席。2020年3月双聘至浙江大学杭州国际科创中心先进半导体研究院，并入选2020年浙江大学杭州国际科创中心青年人才卓越计划。在SiC电力电子器件领域已取得的研究成果包括： 1）提出了一种SiC沟槽型结势垒肖特基（TJBS）二极管的新型器件结构，并提出了一种具有优化设计方案的混合PiN结肖特基（MPS）二极管，完成了器件的仿真设计、理论建模、芯片研制、可靠性评估等工作，显著提高了SiC二极管的电学性能和浪涌、雪崩可靠性，所提出的器件技术直接应用于产品开发和系统应用，展现了优异的器件性能和系统级的应用优势。 2）成功研制出一种SiC夹断型势垒二极管（PBR）新型器件，该器件结构是一种没有肖特基接触而依靠相邻PN结势垒夹断效应形成新型势垒的二极管，有效地缓解了现有SiC肖特基二极管和PN结二极管开启电压大的问题，所开发的器件技术正在应用于产品开发，有望突破现有技术的瓶颈。 3）提出了等离子体扩散层结构设计，完成了作用机理的仿真验证与完整器件的实验研制，实验结果表明该结构可以显著提高SiC二极管和MOSFET器件的可靠性，从而实现器件性能与可靠性之间的优化权衡。 4）研究了SiC MOSFET器件结构参数包括JFET宽度、P well掺杂浓度、沟道长度、沟槽型结构中沟槽宽度和屏蔽结构对器件性能与可靠性的影响，基于对器件工作机理的理解，完成了优化结构设计与实验研制，成功研制出了280mΩ~80mΩ1200V SiC MOSFET芯片，并针对SiC MOSFET器件的雪崩、浪涌、短路等系列可靠性问题进行了深入研究，对各种电流冲击模式下的失效机制、重复脉冲电流应力下的退化机制进行了深入研究，提出了器件结构优化方法，显著提高器件的电学性能和可靠性，所提出的器件技术直接应用于产品开发和系统应用，展现了优异的器件性能和系统级的应用优势。 5）提出了适用于高压SiC晶闸管器件的新型终端结构：Single-Mask Implantation-Free Technique Based on Aperture Density Modulation for Termination in High-Voltage SiC Thyristors，通过实验研制实现了接近10kV的阻断电压，并实现了SiC GTO芯片的仿真设计、工艺技术开发与实验研制。研究生招生与培养：实验室每年招收踏实肯干、积极努力的硕士生和博士生2~3名。欢迎对电力电子器件感兴趣的同学加入，有意者请将个人简历发至实验室介绍任娜博士所在的浙江大学电气工程学院电力电子器件（PEDL）团队，团队负责人为浙江大学电气工程学院院长盛况教授，团队成立于2009年，是国内较早专注于宽禁带半导体电力电子器件研发的团队。关于实验室 PEDL全称“Power Electronic Device Laboratory”，即电力电子器件实验室，研究领域为宽禁带半导体功率器件及其应用，主要包括宽禁带半导体功率芯片、先进封装及器件各领域的应用等三个方向。实验室依托电力电子国家工程中心，拥有较为完备和先进的芯片、封装和应用三个方面的研发设施和研发能力。教师队伍实验室拥有强大的教师阵容，现有教授3位：分别为盛况（实验室负责人，博士生导师，现任浙江大学电气工程学院院长，国家杰出青年基金获得者/长江学者/中组部万人计划获得者/求是特聘教授），张军明（博士、博士生导师，现任浙江大学电气工程学院院长助理）、吴新科（博士、博士生导师、优秀青年基金获得者），研究员1位：杨树（博士、博士生导师），副教授2位：汪涛副教授（博士）、郭清副教授（博士，浙江大学求是青年学者），特聘副研究员1位：任娜（博士、博士生导师），讲师1位：邵帅（博士）。此外，还包括一名外籍求是讲座教授（兼职），Barry Williams教授。团队治学严谨、氛围融洽，曾入选浙江大学“电力电子器件及技术科技创新团队”和“浙江省新能源用电力电子技术科技创新团队”。人才培养在人才培养方面，实验室的导师组具有丰富的国内外教学研究经历（4位拥有国外高校博士学位，两位曾在国外知名高校任教）以及多年的产业界项目合作经验。团队由导师组在电力电子器件及应用的学术前沿和工程应用各方向进行科研指导，团队大力鼓励并资助团队学生参加高水平的国际学术交流，并引领学生深入本领域各龙头企业进行前沿开发及联合培养，在提升学术水平的同时充分培养学生的国际视野及工程能力。团队拥有宽禁带功率器件及应用领域较为完备和先进的实验设施，是该领域国际上和国内知名的实验室，近年来承担的国家863和重点研发计划项目多达10余项、国家重大专项课题1项、国家自然科学基金重点／面上／青年项目等7项、教育部项目1项以及其他国内外企业合作项目近20项。在这项设施和项目的支持下，PEDL实验室有三十多名优秀的博士生、硕士生和本科生，他们来自海内外和全国各地，是实验室最主要也是最有活力的成员。实验设施在实验设施方面，实验室拥有较为完备和先进的电力电子器件及应用研究所需的软硬件设施，包括：1、芯片工艺线：实验室拥有国内高校唯一一条专用于宽禁带功率器件研制的超净工艺线。该超净工艺线投资3000余万元，占地面积近1000平方米，具备近乎完整的宽禁带功率器件工艺设备设施，大型设备包括光刻、PECVD、ICP、磁控溅射、高温退火、SEM等；2、封测工艺线：实验室累计投入1000余万元，建成了国内先进的宽禁带器件封装、测试和可靠性实验室，封测实验室拥有芯片划片系统、真空焊接系统、铝线键合系统、芯片封装在片监测系统；测试实验室拥有国内较为领先的半自动和手动探针台（具有多台、高压、大电流、高温等测试能力），性能领先的电力电子器件参数测试系统、动静态测试系统、C-V测试、超低温测试能力；3、可靠性评估：可靠性实验室具有高加速寿命测试系统、温度盐雾测试系统、常规与加速功率循环测试系统、红外温度测试系统等全套的器件老化测试装置；4、仿真设计软件：实验室拥有成套的功率半导体芯片、封装、应用仿真设计软件；5、应用平台：依托电力电子应用国家工程中心，实验室拥有国内较为领先的电力电子应用技术支撑，包括电动汽车应用试验平台、直流配电应用试验平台、光伏并网试验平台、数据中心电源管理试验平台等，为宽禁带功率芯片和模块的应用验证提供了良好的应用条件。科学研究在科学研究方面，实验室自主研制出了600V~6000V肖特基二极管（SBD、JBS、MPS）、1200V~4500V结型场效应晶体管（JFET）和1200V～3300V金属氧化物场效应晶体管（MOSFET）芯片，开发出了国内容量领先的4500V/100A碳化硅肖特基二极管模块、4500V/50A的碳化硅结型场效应开关管模块和1200V/300A的碳化硅MOSFET功率模块，团队提出了一种新型的超级结碳化硅肖特基二极管设计方法，研发出了出了1300V、比导通电阻0.92mΩ•cm2（不包括衬底0.36 mΩ•cm2）SiC器件，打破了SiC器件的理论极限。PEDL团队还开发出了国内首款10kVA基于全碳化硅器件的高压电力电子变压器，提出了高频多谐振DC-DC变流器同步整流的可靠驱动方法、降压型功率因数校正方法和新型单驱动的碳化硅MOSFET多芯片串-并联方法，在碳化硅和氮化镓电力电子拓扑方向开展了较为全面的研究。工程应用在工程应用方面，PEDL团队通过与国家电网公司、中国中车、华润微电子、福特汽车、英飞特电子、台达等国内外著名企业合作，进行了高压大容量碳化硅和氮化镓电力电子器件、智能电网核心电力电子装备、LED驱动、高效电源、电动汽车用电机驱动和充电桩等关键技术的开发。目前团队已经建立了适用于新型电力电子芯片设计、封装与应用的核心知识产权，为打破国际上对我国的技术垄断、建立我国独立自主的宽禁带电力电子器件及应用的技术和产业打下良好的基础。2016年，团队实现专利技术转让4项，总转让费用超过200万元。团队建设在团队建设方面，团队导师支持并亲自出资举办团队文体活动，近年来，实验室团队活动纷呈、内外兼修，既可修身养性（如茶道、沙盘模拟、潜意识投射卡分析等），又可强身健体（如皮划艇、滑冰、羽毛球赛等）。于是，你既可能会闻见超净光刻间烘焙的一枚枚高压功率器件蒸腾着的期许满怀，也可能闻见专业茶道师沏开的一排排上好西湖龙井奔放着的热情洋溢；既可能望见三五成群的师兄弟兴致盎然地一道奔赴往苏杭高铁，抑或是望见一二十艘的双人艇气势磅礴地一同驰骋在京杭运河。甚至，即便是内容高深的组会报告或会后研讨，也不时由导师组带领在一间优雅别致的西餐厅或日料店举行。在这里，你能收获的不仅是专业知识或学术能力，还有一组平易近人、和蔼可亲的老师，以及一群志同道合、拼搏进取的同期好友。主要专利： 1.US Patent“Trench type junction barrier Schottky diode with voltage reducing layer and manufacturing method thereof,”No.16005557,publish date 2018/12/13. 2.US patent“Trench type junction barrier Schottky diode and manufacturing method thereof,”No.16005547,publish date 2018/12/13. 3.US patent“Schottky Diode with High Breakdown Voltage and Surge Current Capability by Using Double P-type Epitaxial Layers”,first author,pending. 4.US patent“Low cost GaN insulator grown on SiC doped substrate for GaN based devices”,first author,pending. 5.US patent“Patterning method for Ni etching”,second author,pending. 6.US patent“Metal source LDMOS semiconductor device and manufacturing method thereof”,second author,pending. 7.US patent“A method of improving transistor lifetime in analog integrated circuits”,second author,pending. 教学与课程课程与教学： 2019年冬学期，完成研究生学位课《现代电力电子器件》的教学任务 2020年冬学期，完成研究生学位课《现代电力电子器件》的教学任务本科生毕业设计： 2020-2021年指导3名本科生毕业设计研究生指导：协助指导博士研究生6名和硕士研究生2名

研究领域

宽禁带半导体功率器件

近期论文

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主要期刊论文(*corresponding author)： 1.Na Ren,Jue Wang and Kuang Sheng,“Design and Experimental Study of 4H-SiC Trenched Junction Barrier Schottky Diodes,”in IEEE Transactions on Electron Devices,vol.61,no.7,pp.2459-2465,July 2014. 2.Na Ren and Kuang Sheng,“An Analytical Model With 2-D Effects for 4H-SiC Trenched Junction Barrier Schottky Diodes,”in IEEE Transactions on Electron Devices,vol.61,no.12,pp.4158-4165,Dec.2014. 3.Na Ren,Hao Hu,Xiaofeng Lyu,Jiupeng Wu,Hongyi Xu,Ruigang Li,Zheng Zuo,Kang Wang,Kuang Sheng,“Investigation on single pulse avalanche failure of SiC MOSFET and Si IGBT,”in Solid State Electronics,vol.152,pp.33-40,Feb.2019. 4.Na Ren,J.Wu,L.Liu,and K.Sheng,'Improving Surge Current Capability of SiC Merged PiN Schottky Diode by Adding Plasma Spreading Layers,'IEEE Transactions on Power Electronics,pp.1-1,2020,doi:10.1109/TPEL.2020.2988938 5.C.Wang,H.Wang,Na Ren*,Q.Guo and K.Sheng,'Analytical Model and Optimization for SiC Floating Island Structure,'in IEEE Transactions on Electron Devices,vol.68,no.1,pp.222-229,Jan.2021. 6.H.Long,Na Ren*,H.Xu,H.Wang,Q.Guo and K.Sheng,'Single-Mask Implantation-Free Technique Based on Aperture Density Modulation for Termination in High-voltage SiC Thyristors,'IEEE Transactions on Electron Devicees,2021(accepted). 7.J.Wu,Na Ren*,H.Wang and K.Sheng,“1.2-kV 4H-SiC Merged PiN Schottky Diode With Improved Surge Current Capability,”in IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics,vol.7,no.3,pp.1496-1504,Sept.2019. 8.J.Wu,Na Ren*,K.Sheng,'A New Algorithm Based on C-V Characteristics to Extract the Epitaxy Layer Parameters for Power Devices with the Consideration of Termination,'Chinese Physics B,2020,accepted. 9.Z.Zhu,H.Xu,L.Liu,N.Ren*,K.Sheng,et al.,'Investigation on Surge Current Capability of 4H-SiC Trench-Gate MOSFETs in Third Quadrant Under Various VGS Biases,'IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics,2020(accepted). 10.L.Liu,J.Wu,N.Ren*,Q.Guo and K.Sheng,“1200V 4H-SiC Merged P-i-N Schottky Diodes with High Avalanche Capability,”IEEE Transactions on Electron Devices,vol.67,no.9,pp.3679-3684,Sept.2020. 11.J.Wu,N.Ren*,Q.Guo,and K.Sheng,'A Comparative Study of Silicon Carbide Merged PiN Schottky Diodes with Electrical-Thermal Coupled Considerations,'Materials,vol.2020,13(11),2669,no.11,p.2669,2020. 12.X.Lyu,Na Ren*and D.Cao,“Optimal Configuration of High-Efficiency Segmented Linear LED Driver With Genetic Algorithm,”in IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics,vol.7,no.1,pp.209-215,March 2019. 13.X.Lyu,Na Ren*,D.Cao,“Instantaneous Pulse Power Compensator for High-Density Single-Phase Inverters,”in IEEE Transactions on Power Electronics,vol.34,no.11,pp.10776-10785,Nov.2019. 14.X.Lyu,Na Ren*,Y.Li,D.Cao,S.Jiang,N.Chen,“Optimization of High-Density and High-Efficiency Switched-Tank Converter for Data Center Application,”in IEEE Transactions on Industrial Electronics,vol.67,no.2,pp.1626-1637,Feb.2020. 15.X.Lyu,Y.Li,Na Ren*,D.Cao and S.Jiang,'A Comparative Study of Switched Tank Converter and Cascaded Voltage Divider Converter for 48V Intermediate Bus Voltage Regulator in Data Center Application,'in IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics,vol.8,no.2,pp.1547-1559,June 2020. 16.M.Zhang,N.Ren*,Q.Guo,K.Sheng,“Understanding Turn-On Transients of SiC High-Power Modules:Drain-Source Voltage Plateau Characteristics,”Energies 2020,vol.13,no.15. 17.Na Ren,Kuang Sheng,“2.5mΩ·cm2,1750V 4H-SiC Junction Barrier Schottky Diodes with Floating Guard Ring Termination Structure”,Proceedings of the CSEE（中国电机工程学报）,vol.21,169-177,2015. 18.X.Lyu,Na Ren,Y.Li and D.Cao,“A SiC-Based High Power Density Single-Phase Inverter with In-Series and In-Parallel Power Decoupling Method,”in IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics,vol.4,no.3,pp.893-901,Sept.2016. 19.H.Wang,J.Wang,L.Liu,N.Ren,et al.,“Design and Characterization of Area-Efficient Trench Termination for 4H-SiC Devices,”in IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics,vol.7,no.3,pp.1519-1526,Sept.2019. 20.H.Wang,C.Wang,B.Wang,N.Ren and K.Sheng,“4H-SiC Super-Junction JFET:Design and Experimental Demonstration,”in IEEE Electron Device Letters,vol.41,no.3,pp.445-448,March 2020. 21.Z.Dong,X.Wu,H.Xu,N.Ren,and K.Sheng,'Accurate Analytical Switching-on Loss Model of SiC MOSFET Considering Dynamic Transfer Characteristic and Qgd,'IEEE Transactions on Power Electronics,pp.1-1,2020. 22.M.Zhang,N.Ren,Q.Guo,X.Zhu,J.Zhang,K.Sheng,“Modeling and Analysis of vgs Characteristics for Upper-Side and Lower-Side Switches at Turn-on Transients for a 1200V/200A Full-SiC Power Module,”Micromachines 2020,vol.11,no.1. 23.H.Long,N.Ren,Q.Guo,X.Gan,L.Chen,W.Zhang,J.Zhu,F.Wei,and K.Sheng,'Understanding the breakdown asymmetry of 4H-SiC power diodes with extended defects at locations along step-flow direction,'J.Appl.Phys.,vol.128,no.16,p.164501,2020. 主要会议论文： 24.Na Ren,Jingjing Cui,Junming Zhang,Kuang Sheng,Fangzheng Peng,“The Design of SiC Schottky Diode Termination Structure,”2012 International Conference of Applied Energy,Suzhou,China. 25.Na Ren,Kuang Sheng,Junming Zhang,Fangzheng Peng,“Gate Drive Investigations of IGBT Modules with SiC-Schottky Freewheeling Diodes”,2013 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition(ECCE),2871-2876. 26.Na Ren,Kang L.Wang,Zheng Zuo,Ruigang Li and Kuang Sheng,“A novel 4H-SiC pinched barrier rectifier,”2017 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition(APEC),Tampa,FL,2017,pp.1950-1957.(Award paper) 27.Na Ren,Hao Hu,Kang L.Wang,Zheng Zuo,Ruigang Li and Kuang Sheng,“Investigation on single pulse avalanche failure of 900V SiC MOSFETs,”2018 IEEE 30th International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs(ISPSD),Chicago,IL,2018,pp.431-434. 28.Na Ren,Xiaofeng Lyu,Dong Cao,Zheng Zuo and Ruigang Li,“High-Efficiency Multiple-String Linear LED Driver with Genetic Algorithm for Low Power Application,”2018 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition(ECCE),Portland,OR,2018,pp.4717-4720. 29.N.Ren,X.Lyu,D.Cao,Z.Zuo and R.Li,“High-Efficiency Multiple-String Linear LED Driver with Genetic Algorithm for Low Power Application,”2018 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition(ECCE),Portland,OR,2018,pp.4717-4720. 30.N.Ren,K.L.Wang,J.Wu,H.Xu and K.Sheng,'Failure Mechanism Analysis of SiC MOSFETs in Unclamped Inductive Switching Conditions,'2019 31st International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs(ISPSD),Shanghai,China,2019,pp.183-186. 31.J.Wu,N.Ren*and K.Sheng,“Design and Experimental Study of 1.2kV 4H-SiC Merged PiN Schottky Diode,”2019 31st International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs(ISPSD),Shanghai,China,2019,pp.203-206. 32.C.Cai,L.Zhang,N.Ren and K.Sheng,“Silicon carbide pinched barrier rectifier(PBR),”2013 25th International Symposium on Power Semiconductor Devices&IC's(ISPSD),Kanazawa,2013,pp.167-170. 33.Q.Xiao,Y.Yan,X.Wu,N.Ren and K.Sheng,“A 10kV/200A SiC MOSFET module with series-parallel hybrid connection of 1200V/50A dies,”2015 IEEE 27th International Symposium on Power Semiconductor Devices&IC's(ISPSD),Hong Kong,2015,pp.349-352. 34.Hongyi Xu,Jiahui Sun,Jingjing Cui,Jiupeng Wu,Hengyu Wang,Shu Yang,Na Ren,Kuang Sheng,“Surge capability of 1.2kV SiC diodes with high-temperature implantation,”2018 IEEE 30th International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs(ISPSD),Chicago,IL,2018,pp.419-422. 35.X.Lyu,Y.Li,Z.Ni,D.Cao,N.Ren,Z.Zuo,R.Li,“Instantaneous Pulse Power Compensator for High-Power-Density Single-Phase Inverter,”2018 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition(ECCE),Portland,OR,2018,pp.6739-6744. 36.Z.Zhu,Z.Wang,N.Ren,H.Xu,L.Liu,Q.Guo,J.Zhang and K.Sheng,“Degradation of 4H-SiC MOSFET body diode under repetitive surge current stress”in 2020 IEEE Proc.Int.Symp.Power Semiconductor Devices IC's(ISPSD),Sep.2020 37.L.Liu,N.Ren,J.Wu,Z.Zhu,H.Xu,Q.Guo and K.Sheng,“Investigation of Avalanche Capability of 1200V 4H-SiC MPS Diodes and JBS Diodes,”in 2020 IEEE Proc.Int.Symp.Power Semiconductor Devices IC's(ISPSD),Sep.2020 38.N.Ren,and K.Sheng,'1.2kV SiC Merged PiN Schottky Diode with Improved Surge Current Capability'in 2020 IEEE Proc.Int.Symp.Power Semiconductor Devices IC's(ISPSD),Sep.2020 39.C.Lin,Na Ren*,K.Sheng,'Comparison and Analysis of Short Circuit Performance of 1200V SiC MOSFETs,'IFWS 2020,accepted. 40.L.Liu,Na Ren,K.Sheng,'Single Pulse Avalanche Robustness and Analysis for 1200V SiC Junction Barrier Schottky Diode,'IFWS 2020,accepted.

学术兼职

在2018年电力电子领域顶级国际学术会议IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE)担任技术分会的会场主席(Technical Session Chair) 在2020年APS第六届国际汽车动力系统峰会暨电驱总成与匹配技术高峰论坛，担任电驱关键技术专场主持人。担任IEEE Transactions on Electron Devices，IEEE Transactions on Power Electronics，IEEE Transactions on Industrial Electronics，IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics，IET Journals，Chinese Physics B等国际著名学术期刊审稿人。

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