理論性能遠超SiC？GaN功率二極管的發(fā)展歷程

電子發(fā)燒友網報道（文/梁浩斌）氮化鎵功率器件的大規(guī)模應用，是從2018年開始的。自手機快充功能在市場上迅速普及，經過數年的發(fā)展，氮化鎵HEMT器件早已被廣泛應用到快速充電器等應用中。

當然在此之前，氮化鎵在半導體領域還是主要被用于光電領域以及射頻領域。比如藍、綠、白光LED、藍紫光激光器等，射頻領域的大功率功放管、PA、MMIC等，氮化鎵都是重要材料之一。

不過如果聚焦功率領域，可以發(fā)現氮化鎵與碳化硅不同之處在于，碳化硅市場上有晶體管和二極管兩種類型的器件，而氮化鎵目前的功率產品主要是HEMT，幾乎沒有氮化鎵二極管的產品出現。而一些大功率的電源適配器中，往往會采用氮化鎵 HMET配合碳化硅SBD的組合。

GaN SBD發(fā)展歷程

但實際上，關于GaN SBD，甚至是GaN MOSFET等器件的開發(fā)業(yè)界也一直有研究，GaN SBD更是早已有廠商推出相關產品。

早在1999年，加州理工學院的Bandic等人首次發(fā)表了關于GaN SBD的研究論文，在這篇論文中，他們研究了器件的基本結構，并做出了擊穿電壓為450V，正向導通壓降為4.2V的GaN SBD。

到了2001年，弗羅里達州立大學便通過設置P型保護環(huán)和場版結構將反向擊穿電壓做到了1000V。

2007年，Velox公司和意法半導體合作，首次將耐壓600V的電源用GaN SBD產品推出市場，成為了第一款商業(yè)化的GaN SBD產品。隨后在2010年，Velox被PI收購，而這個時候也有更多廠商加入到GaN SBD的開發(fā)中。

在早期，氮化鎵器件因為襯底片制造上的限制，大多都在藍寶石襯底上外延出GaN外延層，再在外延層上制造器件。但藍寶石是絕緣體，難以實現垂直型的導電結構?？紤]到大電流通過的需求，GaN SBD也大多為平面型結構。

不過隨著材料技術的發(fā)展以及理論研究的進一步完善，GaN SBD器件也有了新的進展。2010年，日本的Powdec KK公司推出垂直型GaN SBD，它采用了特殊的藍寶石襯底剝離技術，實現了高于600V的反向擊穿電壓、低于現有硅基電力電子器件100倍的通態(tài)電阻以及50%的功率損耗。

即使如此其實也距離GaN SBD的理論性能相差甚遠，GaN SBD理論上的性能，比如導通電阻、擊穿電壓等都要大幅領先于SiC SBD。在相同的耐壓值下，GaN SBD的導通電阻可以是SiC SBD的十分之一。

在2015年，松下宣布開發(fā)出GaN 二極管，能夠支持四倍于傳統(tǒng)碳化硅二極管的工作電流，同時其低開啟電壓的特性也支持二極管在低電壓下工作。松下提出了一種具有p型層（具有成型加工的槽）的混合型氮化鎵二極管，并研發(fā)了一種加工技術，可有選擇性地移除n型層上的p型層，從而實現大工作電流和低開啟電壓，同時實現1.6kV的擊穿電壓。

2021年，蘇州晶湛半導體宣布其研發(fā)的GaN SBD擊穿電壓超過10kV，是全球范圍有史以來報道中實現的最高值。晶湛與美國弗吉尼亞理工大學電力電子技術中心（CPES）合作，采用了晶湛的新型多溝道AlGaN/GaN異質結構外延片，以及pGaN降低表面場技術（RESURF)。

通過MOCVD方法在4英寸的藍寶石襯底上單次連續(xù)外延實現，無需二次外延，由于采用廉價的藍寶石襯底和水平器件結構，其器件的制備成本遠低于碳化硅同類產品的同時，導通電阻率遠低于10kV耐壓的SiC SBD。

蘇州納米所在2022年也成功基于硅基氮化鎵材料，成功研制了1200 V的pn結功率二極管，并且采用了垂直型結構。

在商業(yè)化應用上，國內氮化鎵IDM廠商譽鴻錦在2023年也發(fā)布了電壓為50V/100V的三款GaN SBD產品，采用了垂直結構，具有開啟電壓低、損耗小、導通電阻率小、成本低、溫漂小、高溫穩(wěn)定性好等優(yōu)勢。

小結：

目前在功率二極管方面，GaN仍有巨大的應用潛力，不過目前商業(yè)應用的進展仍較慢，未有大規(guī)模的應用落地。在這其中還有很多問題需要解決，尤其是大功率的器件散熱以及隨之帶來的可靠性問題等。