電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/梁浩斌）氮化鎵功率器件的大規(guī)模應(yīng)用，是從2018年開始的。自手機(jī)快充功能在市場(chǎng)上迅速普及，經(jīng)過數(shù)年的發(fā)展，氮化鎵HEMT器件早已被廣泛應(yīng)用到快速充電器等應(yīng)用中。

當(dāng)然在此之前，氮化鎵在半導(dǎo)體領(lǐng)域還是主要被用于光電領(lǐng)域以及射頻領(lǐng)域。比如藍(lán)、綠、白光LED、藍(lán)紫光激光器等，射頻領(lǐng)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(lǐng)域，可以發(fā)現(xiàn)氮化鎵與碳化硅不同之處在于，碳化硅市場(chǎng)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(chǎn)品主要是HEMT，幾乎沒有氮化鎵二極管的產(chǎn)品出現(xiàn)。而一些大功率的電源適配器中，往往會(huì)采用氮化鎵 HMET配合碳化硅SBD的組合。

GaN SBD發(fā)展歷程

但實(shí)際上，關(guān)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(guān)產(chǎn)品。

早在1999年，加州理工學(xué)院的Bandic等人首次發(fā)表了關(guān)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(jié)構(gòu)，并做出了擊穿電壓為450V，正向?qū)▔航禐?.2V的GaN SBD。

到了2001年，弗羅里達(dá)州立大學(xué)便通過設(shè)置P型保護(hù)環(huán)和場(chǎng)版結(jié)構(gòu)將反向擊穿電壓做到了1000V。

2007年，Velox公司和意法半導(dǎo)體合作，首次將耐壓600V的電源用GaN SBD產(chǎn)品推出市場(chǎng)，成為了第一款商業(yè)化的GaN SBD產(chǎn)品。隨后在2010年，Velox被PI收購，而這個(gè)時(shí)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?yàn)橐r底片制造上的限制，大多都在藍(lán)寶石襯底上外延出GaN外延層，再在外延層上制造器件。但藍(lán)寶石是絕緣體，難以實(shí)現(xiàn)垂直型的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)。考慮到大電流通過的需求，GaN SBD也大多為平面型結(jié)構(gòu)。

不過隨著材料技術(shù)的發(fā)展以及理論研究的進(jìn)一步完善，GaN SBD器件也有了新的進(jìn)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(lán)寶石襯底剝離技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高于600V的反向擊穿電壓、低于現(xiàn)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(shí)也距離GaN SBD的理論性能相差甚遠(yuǎn)，GaN SBD理論上的性能，比如導(dǎo)通電阻、擊穿電壓等都要大幅領(lǐng)先于SiC SBD。在相同的耐壓值下，GaN SBD的導(dǎo)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(shí)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(shù)，可有選擇性地移除n型層上的p型層，從而實(shí)現(xiàn)大工作電流和低開啟電壓，同時(shí)實(shí)現(xiàn)1.6kV的擊穿電壓。

2021年，蘇州晶湛半導(dǎo)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(bào)道中實(shí)現(xiàn)的最高值。晶湛與美國弗吉尼亞理工大學(xué)電力電子技術(shù)中心（CPES）合作，采用了晶湛的新型多溝道AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)外延片，以及pGaN降低表面場(chǎng)技術(shù)（RESURF)。

通過MOCVD方法在4英寸的藍(lán)寶石襯底上單次連續(xù)外延實(shí)現(xiàn)，無需二次外延，由于采用廉價(jià)的藍(lán)寶石襯底和水平器件結(jié)構(gòu)，其器件的制備成本遠(yuǎn)低于碳化硅同類產(chǎn)品的同時(shí)，導(dǎo)通電阻率遠(yuǎn)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(jié)功率二極管，并且采用了垂直型結(jié)構(gòu)。

在商業(yè)化應(yīng)用上，國內(nèi)氮化鎵IDM廠商譽(yù)鴻錦在2023年也發(fā)布了電壓為50V/100V的三款GaN SBD產(chǎn)品，采用了垂直結(jié)構(gòu)，具有開啟電壓低、損耗小、導(dǎo)通電阻率小、成本低、溫漂小、高溫穩(wěn)定性好等優(yōu)勢(shì)。

小結(jié)：

目前在功率二極管方面，GaN仍有巨大的應(yīng)用潛力，不過目前商業(yè)應(yīng)用的進(jìn)展仍較慢，未有大規(guī)模的應(yīng)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。