氮化镓功率器件的大规模应用,是从2018年开始的。自手机快充功能在市场上迅速普及,经过数年的发展,氮化镓HEMT器件早已被广泛应用到快速充电器等应用中。当然在此之前,氮化镓在半导体领域还是主要被用于光电领域以及射频领域。比如蓝、绿、白光LED、蓝紫光激光器等,射频领域的大功率功放管、PA、MMIC等,氮化镓都是重要材料之一。
不过如果聚焦功率领域,可以发现氮化镓与碳化硅不同之处在于,碳化硅市场上有晶体管和二极管两种类型的器件,而氮化镓目前的功率产品主要是HEMT,几乎没有氮化镓二极管的产品出现。而一些大功率的电源适配器中,往往会采用氮化镓 HMET配合碳化硅SBD的组合。
GaN SBD发展历程
但实际上,关于GaN SBD,甚至是GaN MOSFET等器件的开发业界也一直有研究,GaN SBD更是早已有厂商推出相关产品。早在1999年,加州理工学院的Bandic等人首次发表了关于GaN SBD的研究论文,在这篇论文中,他们研究了器件的基本结构,并做出了击穿电压为450V,正向导通压降为4.2V的GaN SBD。到了2001年,弗罗里达州立大学便通过设置P型保护环和场版结构将反向击穿电压做到了1000V。
2007年,Velox公司和意法半导体合作,首次将耐压600V的电源用GaN SBD产品推出市场,成为了第一款商业化的GaN SBD产品。随后在2010年,Velox被PI收购,而这个时候也有更多厂商加入到GaN SBD的开发中。
在早期,氮化镓器件因为衬底片制造上的限制,大多都在蓝宝石衬底上外延出GaN外延层,再在外延层上制造器件。但蓝宝石是绝缘体,难以实现垂直型的导电结构。考虑到大电流通过的需求,GaN SBD也大多为平面型结构。不过随着材料技术的发展以及理论研究的进一步完善,GaN SBD器件也有了新的进展。2010年,日本的Powdec KK公司推出垂直型GaN SBD,它采用了特殊的蓝宝石衬底剥离技术,实现了高于600V的反向击穿电压、低于现有硅基电力电子器件100倍的通态电阻以及50%的功率损耗。
即使如此其实也距离GaN SBD的理论性能相差甚远,GaN SBD理论上的性能,比如导通电阻、击穿电压等都要大幅领先于SiC SBD。在相同的耐压值下,GaN SBD的导通电阻可以是SiC SBD的十分之一。
在2015年,松下宣布开发出GaN 二极管,能够支持四倍于传统碳化硅二极管的工作电流,同时其低开启电压的特性也支持二极管在低电压下工作。松下提出了一种具有p型层(具有成型加工的槽)的混合型氮化镓二极管,并研发了一种加工技术,可有选择性地移除n型层上的p型层,从而实现大工作电流和低开启电压,同时实现1.6kV的击穿电压。
2021年,苏州晶湛半导体宣布其研发的GaN SBD击穿电压超过10kV,是全球范围有史以来报道中实现的最高值。晶湛与美国弗吉尼亚理工大学电力电子技术中心(CPES)合作,采用了晶湛的新型多沟道AlGaN/GaN异质结构外延片,以及pGaN降低表面场技术(RESURF)。
通过MOCVD方法在4英寸的蓝宝石衬底上单次连续外延实现,无需二次外延,由于采用廉价的蓝宝石衬底和水平器件结构,其器件的制备成本远低于碳化硅同类产品的同时,导通电阻率远低于10kV耐压的SiC SBD。苏州纳米所在2022年也成功基于硅基氮化镓材料,成功研制了1200 V的pn结功率二极管,并且采用了垂直型结构。在商业化应用上,国内氮化镓IDM厂商誉鸿锦在2023年也发布了电压为50V/100V的三款GaN SBD产品,采用了垂直结构,具有开启电压低、损耗小、导通电阻率小、成本低、温漂小、高温稳定性好等优势。
目前在功率二极管方面,GaN仍有巨大的应用潜力,不过目前商业应用的进展仍较慢,未有大规模的应用落地。在这其中还有很多问题需要解决,尤其是大功率的器件散热以及随之带来的可靠性问题等。