理论性能远超SiC？GaN功率二极管的发展历程

电子发烧友网报道（文/梁浩斌）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。

小结：

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。