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10000V！国产GaN创全球最高纪录！
2021-06-22
近日，苏州晶湛半导体有限公司宣布，其与美国弗吉尼亚理工大学电力电子技术中心（CPES）合作制备的肖特基势垒二极管(SBD)，成功实现了超过10kV的超高击穿电压。这是迄今为止GaN功率器件击穿电压的最高记录。值得一提的是，该器件的GaN外延结构基于蓝宝石衬底，因此制备成本比SiC便宜2-3倍。相关研究成果已于2021年6月发表于IEEE Electron Device Letters期刊。
多沟道AlGaN/GaN SBD器件结构图
（引用自IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS, VOL. 42, NO. 6, JUNE 2021）
这项技术突破采用了苏州晶湛新型多沟道AlGaN/GaN异质结构外延片，并运用了pGaN降低表面场技术（RESURF)。
其中，苏州晶湛的GaN外延材料结构包括：20nm p+GaN/350nm p-GaN帽层，以及23nm Al0.25Ga0.75N/100nmGaN本征层的5个沟道。
该外延结构由苏州晶湛通过MOCVD方法在4英寸蓝宝石衬底上单次连续外延实现，无需二次外延。基于此外延结构开发的GaN器件结构如上图所示，在刻蚀工艺中，通过仅保留2微米的p-GaN场板结构（或称为降低表面场（RESURF）结构），能够显著降低峰值电场。在此基础上制备的多沟道GaN SBD，在实现10kV的超高击穿电压的同时，巴利加优值高达2.8GW⁄cm^2 , 导通电阻率低至39mΩ∙cm^2，远低于同样10kV耐压的 SiC 结型SBD。
由于采用廉价的蓝宝石衬底和水平器件结构，多沟道GaN器件的制备成本也远低于SiC二极管。
据了解，与4英寸SiC相比，4英寸蓝宝石基GaN晶圆的成本降低了2-3倍左右。并且苏州晶湛器件的芯片尺寸更小，因此该器件的材料成本远低于同级SiC SBD，而且横向GaN器件的加工成本也比SiC低。
此外，经过估算，10kV、0.3A RESURF器件的开关品质因数为15.7nCV，而3.3kV、0.3A SIC SBD为30.8nCV。
晶湛SBD与其他GaN、SiC、氧化镓SBD的
导通电阻和BV基准的对比情况（虚线为理论极限）
创新性的多沟道设计可以突破单沟道GaN器件的理论极限，进一步降低开态电阻和系统损耗，并能实现超高击穿电压，大大拓展GaN器件在高压电力电子应用中的前景。在“碳达峰+碳中和”的历史性能源变革背景下，氮化镓电力电子器件在电动汽车、充电桩、可再生能源发电、工业电机驱动器、电网和轨道交通等高压应用领域具有广阔潜力。
苏州晶湛已于近日发布了面向中高压电力电子和射频应用的硅基、碳化硅基以及蓝宝石基的新型多沟道AlGaN/GaN异质结构外延片全系列产品，持续致力于推动氮化镓电力电子技术和应用的新发展。
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